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《中学生数理化》封面约稿(3):嫦娥工程,揽月九天 精选

已有 4059 次阅读 2023-5-1 14:11 |系统分类:科普集锦

接到《中学生数理化》杂志编辑约稿,为该刊物撰写“封面”系列科普文章;这里是第二篇。

嫦娥工程,揽月九天

同济大学 沈海军

千百年来,中国人对月亮总怀有一种特殊的情节。民间神话中“嫦娥奔月”的故事家喻户晓;男婚女嫁需要月老做媒,中秋节中国人喜欢赏月,吃月饼……就连中国人过的春节,也是按阴历,即以月亮圆缺周期来确定。

月亮,学名月球,是我们地球唯一的天然卫星。探测月球,对于大国来讲,不管在政治、经济,还是科技上均有重大意义。政治方面,探月是一个国家高技术发展、综合国力、国际声望与民族凝聚力的集中体现。科技方面,月球特殊的环境可以助力科学家们开展科学实验,验证新技术;探月既是月球科学本身发展的需要,也可以派生出许多其它新的学科分支;此外,作为离地球最近的自然星体,月球还有望作为未来更远天体探索的中转站。

一、人类探月历程

早在公元前1400年,中国便有月蚀的记载。 13世纪,中国便发明了土火箭。1609年,伽利略用望远镜观测月球,绘制了一张月球地图。1883年俄国人齐奥尔科夫斯基提出了使用火箭发射飞船的设想。1919年美国人哥达德预言了利用火箭摆脱地球引力到达月球,开启了人类航天飞行的新时代。1945年,二战后期,冯布莱恩为德国设计制造出了V-2火箭……

上世纪50年代后期至70年代中期,超级大国苏联和美国在月球探测方面竞争达到了白热化,被称作“探月高峰期”。高峰期美苏之间的竞争推动力很大程度上来自于政治因素,科学目标并十分明确。为此,两国先后共发射了90余颗月球卫星或探测器,但成功率却连一半都不到。

探月高峰期前期,苏联在此领域占据优势,不过美国借助“阿波罗”计划后来居上,彻底超越了苏联。阿波罗计划指的是1961年至1972年期间,美国投入重金组织实施了一系列载人登月飞行任务。该计划实施中,美国先后发射了“阿波罗”1-17号飞船,其中,11名美国宇航员成功登月,12人成功飞掠月球上空。这些飞船中,最为人所知的是“阿波罗”11号。该飞船于1969年7月16日到达月球表面,10天后返回地球。“阿波罗”11号的船长阿姆斯特朗踏上月球,实现了人类首次载人登月。他踏上月球时说的一句话:“这是我的一小步,却是人类的一大步”,瞬间响彻全球。竞争失利后,苏联随即将兴趣转向研制空间站,探月活动“冷”了下来,此后便出现了10余年的“寂静期”。

1990年至2006年,世界探月活动逐渐活跃,进入恢复期。1990年,日本的第一个月球探测器“飞天”号月球卫星发射,但卫星进入月球轨道后出现故障,并未获得成功。1994年,美国国防部发射了“克莱门町”环月飞船,旨在检验美国军方下一代卫星传感器在太空环境下的性能。1998年1月,美国航空航天局发射了“月球勘探者”月球探测器,旨在测量月球表面成份,寻找极冰,确定月球的磁场、引力场以及火山等引起的气体释放事件频率和位置等。2003年9月,欧洲空间局成功发射“聪明”1号,这是欧洲的月球卫星,主要任务是验证电火箭和激光通信技术。2004年3月,中国启动了嫦娥探月工程,翻开了探月的新篇章。

二、“嫦娥探月”“三步走”

2004年,中国正式启动嫦娥工程之后,经过深思熟虑,最终确定中国探月工程的“三步走”战略。“三步走”指的是将探月工程分为三个阶段来实施,即所谓的“绕”、“落”、“回”3个阶段。

第一步,即“绕月”,由“嫦娥”1号和2号完成,这两个探测器均为月球卫星。“嫦娥”1号于2007年10月成功发射,携带的仪器有高精度CCD相机与激光高度计、X射线与伽马射线谱仪、成像光谱仪,微波辐射计,带电粒子探测器等,旨在对月球表面环境、地貌、地形、地质构造与物理场进行探测。2009年“嫦娥”1号完成任务后受控撞月。作为“嫦娥”1号的姐妹星,“嫦娥”2号于2010年10月成功发射,其主要任务为:携带更精密仪器,获得更清晰更详细的月球表面影像和月球极区表面数据;此外“嫦娥”2号还对4179号小行星首次进行了探测。

第二步,即“落月”。目标是研制和发射“嫦娥”3号、4号探测器,以软着陆的方式降落在月球上进行探测。具体方案是用安全降落在月面上的巡回器、自动机器人探测着陆区岩石与矿物成分,测定着陆点的周围环境,进行高分辨率摄影和月岩的现场探测或采样分析。2013年12月,“嫦娥”3号成功发射;该探测器包含有着陆器和“玉兔”巡回器。此次任务中,中国航天在月球软着陆、自动巡视勘察、深空测控通信、月夜生存等关键技术上取得了一系列重大突破。作为“嫦娥”3号的备份,“嫦娥”4号于2018年12月发射。注意:“嫦娥”4号并没有重复3号的任务,而是携带着“玉兔”2号巡回器登陆了从未有人去过的月球背面。

第三步,即采样返回,由“嫦娥”5号来完成。目标是研制和发射小型采样返回舱、月表钻岩机、月表采样器、机器人操作臂等,采集关键性样品返回地球,对着陆区进行考察。“嫦娥”5号于2020年11月发射,12月17日成功采集了近2公斤月壤后返回地球。“嫦娥”5号探测器由轨道器/返回器、着陆器/上升器组成,其科学任务为:着陆器携带探测仪器开展探测区月貌和物质调查、月基空间环境和天气探测;月壤采样并返回地球。

三、中国的月球科研站

作为星辰大海的第一站,世界各国空间探测大都是先从探月开始的。从2004年起,中国凭借“嫦娥”1号、2号“绕月”,3号、4号“落月”,以及5号采样月壤与返回地球,“三步走”战略完美收官。这是人类探月历史60年来由中国人书写的一大壮举,标志着我国航天技术迈上一个新的台阶。嫦娥工程“绕、落、回”三步走战略所取得的成就是伟大的,其科技成果为后续建立月球基地的选址提供月面的化学与物理参数,为下一步载人登月探测、建立月球前哨站的选址提供了数据资料。尽管如此,中国目前仍处于“无人探月”阶段,要知道,美国人早在1969年就登上了月球,而中国人仍没有实现载人登月。不过,令人欣喜的是,中国的载人登月与月球基地建设计划已在谋划之中。

2023年4月25日,第一届深空探测国际会议在我国合肥市召开,中国国家航天局与亚太空间合作组织签署关于国际月球科研站合作联合声明。声明中明确指出,我国计划于2028年前初步建成月球科研站,旨在开展月球环境探测和资源利用的试验验证;2040年前后,建成完善的国际月球科研站,开展日地月空间环境探测及科学试验,并建成鹊桥通导遥综合星座,服务载人登月和火星、金星等深空探测;之后,再建设应用型月球科研站,由科研型试验站逐步升级到实用型、多功能的月球基地。

四、月壤年龄是多少?

2020年12月,“嫦娥”5号从月表带回了1731g月壤样品,该样品的采样地点位于月球风暴洋东北部。这是中国首次从地球外天体采集样品,也是时隔44年后人类再次将月壤带回地球。2021年7月,“嫦娥”5号的月壤样品陆续发放到了国内30多家科研单位,相应的系列科学研究工作随即展开。由于月壤样品极其珍贵,多数为亚毫米和微米大小的颗粒,如何最少地利用珍贵样品获得尽可能多的基础数据,同时开展高效高质量的科学研究,对我国科研人员来说一项巨大的挑战。

要研究“月球岩浆活动及演化、月球磁场及太空风化作用”等重大科学问题,首先得确定出样品的年龄。为了选择和制备合适的目标颗粒样品,研究人员先通过显微操纵,将一个个月壤颗粒排成整整齐齐的阵列,然后利用X射线荧光光谱技术快速扫描挑选出目标颗粒,再采用树脂包埋、机械抛光或表面导电处理等工序,后续分析测试所需的单颗粒样品就被制备出来了。

有了单颗粒样品,科学家们再利用三维X-射线显微镜、聚焦离子束-扫描电镜、截面扫描电镜观察、显微拉曼、电子探针、纳米离子探针等设备便可在微纳米尺度上获得颗粒样品的三维形貌、结构和成分等诸多信息。

值得一提的是,为了对目标颗粒样品中感兴趣的微区域进行更深入的三维重构和分析,科学家们还采用先进的聚焦离子束-扫描电镜技术,对样品进行精准微切割,制备出了微纳米尺寸的“薄片”或“针尖”样品;进而利用扫描透射X射线显微镜、透射电子显微镜和原子探针显微镜,在纳米到原子水平,对“薄片”或“针尖”样品开展了更为详尽的形貌、结构、矿物相、化学成分、元素价态、元素同位素和微磁学等综合分析。通过对47个单颗粒目标样品的研究,我国科学家们最终给出了嫦娥五号月壤的年龄:20.3亿年。



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