2011年6月,中国的“嫦娥二号”卫星在浩瀚太空中向拉格朗日L2点进发。这是中国航天史上的一次壮举,肩负着突破月球逃逸、环绕平动点和转移飞行三大技术难题的重任。然而,就在任务开始前夕,原本向全球公开的小天体轨道数据突然被美国封锁,毫无预警。嫦娥二号的总设计师吴伟仁回忆:“美国封锁了我们所需要的关键轨道数据,速度之快,让我们措手不及。”
美国的封锁是否意在阻挠中国的探月计划?而当嫦娥五号成功带回月球样品后,美国为何又公开索要这些珍贵数据?
1995-1997年的可行性报告与院士建议
1995年,中国的探月工程迈出了更加坚实的步伐。在之前一年基于必要性和可行性的初步讨论后,一群专家开始着手编制一份全面的探月可行性报告。
报告的编制过程中,团队成员聚集在北京的一处研究所,深入探讨了各种技术挑战和潜在解决方案。首先,他们评估了探月卫星的主要科学目标,包括月表地形、地质结构和可能的矿物分布调查。随后,技术团队开始设计卫星的基本结构,包括选择合适的轨道模块、通信系统以及能源供应系统。
专家们为这个方案选定了多种科学仪器,如高分辨率相机、光谱仪以及月表探测雷达。每项技术选择都伴随着一系列技术讨论,确保所选设备能够承受深空的极端环境,同时满足科学研究的需求。
报告还详细论述了发射窗口的选择和地面支持系统的建设需求。这份报告不仅是一份技术文件,也深入分析了项目的预算、风险以及对国家科技和国际地位的长远影响。
进入1997年,三位重量级的科学院院士杨嘉墀、王大珩与陈芳允加入了探月计划的讨论。他们利用自己在科学研究和技术开发领域的丰富经验,以及国家“863”计划的平台,发表了《我国月球探测技术发展的建议》。
在他们的推动下,报告强调了建立自主创新和技术自给自足的重要性。杨嘉墀院士在一次会议上详细阐述了通过探月工程提升国家航天技术水平的战略意义。王大珩院士则从材料和工程角度,分析了探月卫星设计中可能遇到的关键技术问题和解决策略。而陈芳允院士则侧重于科学数据的处理与利用,他提议建立一个专门的数据分析中心,以最大化探月数据的科研价值和社会效益。
这份建议书最终被纳入国家的长远发展规划,为中国的探月工程提供了强大的科学支撑和政策指导。
技术方案的确立与嫦娥工程的启动
2002年至2004年,中国探月工程进入了一个至关重要的技术准备阶段。国防科工委当时组织了一个由顶尖科学家和工程技术人员组成的团队,全面负责探月工程的技术方案研究。团队成员来自全国各地,涵盖了航天、物理、天文学、材料科学等多个领域。
会议频繁在各大科研机构和国防科工委的会议室内举行,讨论的焦点围绕如何实现首次绕月探测任务的具体技术路径。团队首先确定了科学目标,主要包括对月球表面地形的精确测绘、月球矿物成分的初步调查以及月表局部环境的探测。
在一次技术研讨会上,几位航天器设计专家和系统工程师详细分析了各国探月技术的发展情况,特别是苏联和美国在上世纪60至70年代的探月经验。他们从阿波罗和月球车任务中汲取经验,同时也意识到中国需要走出一条符合自身国情的独特道路。
讨论进入深入阶段时,项目团队面临的另一个重大问题是深空通信和数据传输系统的构建。深空探测不同于近地轨道任务,探测器与地球之间的距离遥远,信号传输的时间延迟和数据量的庞大是必须要克服的技术障碍。几位通信技术专家提出了一些创新的解决方案,如采用多频段通信技术和大型地面天线阵列,提高信号接收的灵敏度。经过几轮讨论后,团队初步达成共识,将这些技术方案纳入最终设计。
除了技术讨论,项目团队还面临着如何统筹协调全国资源的挑战。中国的探月工程并非仅依赖单一机构完成,而是需要全国范围内的科研机构、大专院校、工业企业以及国防部门的共同参与。为了确保各个部门、单位之间的高效协作,团队提出了“全国大协作”体系的设想,并在短期内付诸实施。
在各方协作和不断完善技术方案的基础上,2004年1月23日,国务院正式批准了中国绕月探测工程的立项。这标志着中国的探月计划正式进入了实施阶段,工程被命名为“嫦娥工程”,意在向中华文化中的月亮神话致敬。
嫦娥二号的挑战与成就
2011年,嫦娥二号卫星成功承担了突破月球逃逸、平动点环绕和转移飞行三大技术难关的艰巨任务,踏上了前往拉格朗日L2点的征程。
中国探月工程总设计师吴伟仁曾回忆,当嫦娥二号顺利完成绕月探测任务后,科研团队开始筹备对拉格朗日L2点的进一步探测。当时,拉格朗日L2点的复杂轨道环境需要精准的数据支持,而这类数据多掌握在美国手中,尤其是有关许多小天体的轨道信息。
就在中国计划推进探测拉格朗日L2点并准备对图塔蒂斯小行星进行飞跃探测的关键时刻,美国得知了这一计划。令人意外的是,美国迅速采取行动,立刻关闭了之前一直向全球公开的小天体轨道数据。数据封锁来得突然且迅速,这一操作之快让中国团队感到十分意外。
由于当时小天体轨道数据在国际上极为有限,这一封锁给中国的任务增加了不小的难度。拉格朗日L2点距离地球有100多万公里,这个距离大大超出了以往中国探测器所能达到的范围,因此对卫星的飞行控制系统、轨道调整能力和能源供应都提出了更高的要求。
85天的飞行过程充满了紧张的节奏,但一切都按计划顺利进行。嫦娥二号最终到达了目标位置,并且在拉格朗日L2点开始了为期200多天的科学探测任务。在这段时间里,嫦娥二号不仅完成了对拉格朗日L2点的详细勘测,还成功获得了许多重要的科学数据。其中包括太阳耀斑爆发期间释放的高能粒子流,地球远磁尾中离子的能谱分布,以及来自遥远宇宙的伽马射线爆发数据。
在拉格朗日L2点的探测任务圆满完成后,嫦娥二号并未停下探索的脚步。由于卫星的能源和系统状态良好,团队决定继续执行下一步任务——对图塔蒂斯小行星的飞跃探测。
2012年12月,嫦娥二号与图塔蒂斯小行星的距离逐步接近,整个探测过程需要精确到毫秒级。通过一系列复杂的轨道调整,嫦娥二号顺利完成了对图塔蒂斯的近距离飞跃探测,并且成功拍摄了高清图像,获取了小行星表面的大量数据。
2020年的嫦娥五号
2020年11月24日,伴随着长征五号运载火箭的轰鸣声,嫦娥五号顺利升空。这是中国首次尝试从地外天体采集样品并送回地球。
嫦娥五号抵达月球后,整个探测器分为轨道器、着陆器、上升器和返回器四部分。按照预定计划,着陆器携带着一系列科学仪器,逐步降落在风暴洋吕姆克山脉以北的平原区域。这里的地质特征显示出有大量的玄武岩层,这些岩层的形成时期在13亿至20亿年前。
12月初,嫦娥五号的着陆器在月面稳稳降落,随后展开了一系列科学操作。着陆器开始钻取月壤样品,并通过机械臂将月壤样品装入密封的采样容器内。整个过程由地面团队通过精密的远程控制技术进行协调,确保每个步骤都准确无误。嫦娥五号不仅利用钻探工具从地表下2米的深度采集样品,还从月球表面收集了松散的尘土样品。这些样品合计约2千克,为后续的科学分析提供了宝贵的实物依据。
12月17日,在完成采样任务后,上升器顺利从月球表面起飞,并与在月球轨道等待的轨道器和返回器完成对接。对接后,采集到的月壤样品被转移到返回器内,返回器携带着这些珍贵的月球“土特产”,开始返回地球的旅程。经过几天的飞行,返回器在内蒙古四子王旗预定的着陆区顺利降落,这是继美国和苏联之后,第三个成功实现月球样品返回的国家。
这一成就引起了全球科学界的关注,尤其是美国航天局。NASA在其官方推特上发文称:“伴随‘嫦娥五号’发射升空,中国也开始加入美国和苏联获取月球样本的行列,我们希望中国能够与全球科学界分享它所获得的数据,以增进全人类对月球的了解——正如美国的阿波罗计划和阿尔特弥斯计划所做的那样。”尽管这番表态看似友好,但背后也反映了国际航天领域的竞争态势。
事实上,这一声明在国际社交媒体上引发了热议。许多网友对美国的态度表示质疑,一些人甚至嘲讽道:“你们希望中国分享数据,却不想主动促进合作,这就是‘双标’吗?”的确,中国在探月工程中曾多次遭遇技术封锁和信息封锁,尤其是在嫦娥二号任务期间,美国对小天体轨道数据的封锁至今令人印象深刻。然而,中国航天的进展并未因此停滞,反而通过自主创新一步步实现了多项关键技术的突破。
参考资料:[1]林红磊,陈剑,李超,丁春雨,肖潇,黄俊,籍进柱,芶盛,张金海,魏勇,林杨挺.嫦娥工程月球探测任务遥感科学研究进展[J].矿物岩石地球化学通报,2023,42(3):478-493I0003