月球探測的歷程_風聞

diewisch-历史唯物观察者-2019-06-17 12:29

2019-06-17

來源：節選自歐陽自遠《月球探測的進展與前景》（摘要）

自古以來, 人們就對月球寄予了真情期望的遐想和充滿詩意的讚美。當一輪皎潔如玉的明月掛在夜空, 人們只能靠肉眼觀測月球並寄託自己的想象。直到16世紀望遠鏡發明發後, 人類才能夠用望遠鏡觀察月球, 但觀測的空間分辨率大於10公里, 人們發現月球上有高山和廣闊的平原並佈滿了環形山。

真正對月球的瞭解是在上世紀五十年代以後, 月球探測進入空間探測階段。月球是離地球最近的天體, 亮度也僅次於太陽, 歷來是人類天文活動的首選目標, 自然也是人類走出地球搖籃, 邁向浩瀚宇宙的第一步。1959年至1972年, 美國和前蘇聯成功地發射了45個對月球的各種探測器。前蘇聯的“月球號”拍攝了月球背面的照片, 把月球的整個面貌展現在人們面前。1969年, 阿波羅11號實現了人類的夢想, 人類的足跡第一次踏上了月球, 人們才瞭解到月球的真實面貌。

1.1 第一次探月高潮 (1959年~1976年)

1.1.1第一次探月高潮概況

在冷戰背景下, 美國和前蘇聯展開了以月球探測為中心的空間競賽, 掀起了第一次月球探測高潮。自1958年至1976年, 美國和前蘇聯共發射83個月球探測器, 成功45個, 成功率為55.5%。1969年7月美國阿波羅11號飛船實現了人類首次登月, 相繼阿波羅—12、14、15、16、17和前蘇聯的月球號—16、20和24進行了載人和不載人登月取樣, 共獲得了382公斤的月球樣品和難以計數的科學數據。月球探測取得了劃時代的成就。

月球探測是人類進行太陽系探測的歷史性開端, 大大促進了人類對月球、地球和太陽系的認識, 帶動了一系列基礎科學的創新, 促進了一系列應用科學的新發展。月球探測, 尤其是載人登月是人類邁出地球搖籃的第一步, 是整個人類歷史進程的里程碑。人類在宇宙空間展示的智慧創舉、超強能力和攀登精神, 是人類開拓進取、求實創新的光輝創例, 增強了人類探索宇宙、建設好地球家園的信心。月球探測成為人類歷史和科學技術發展史上劃時代的標誌性事件。

第一次月球探測高潮的最主要推動力是冷戰和空間霸權爭奪的政治需求。美國與前蘇聯正是通過月球探測, 建立和完善了龐大的航天工業和技術體系;有力地帶動和促進了一系列科學技術的快速發展;月球探測技術在軍事和民用領域得到延伸、推廣和二次開發, 形成了一大批高科技工業羣體, 包括微電子、計算機、遙感、遙測與遙控、微波雷達、紅外與激光、超低温、超高温和超高真空技術以及冶金、化工、機械、電子視聽聲像和信息傳遞等, 產生了顯著的社會經濟效益。據不完全統計, 從阿波羅計劃派生出了大約3000多種應用技術“成果”。在登月後的短短几年內, 這些應用技術就取得巨大的效益——在登月計劃中每投入1美元就可獲得4~5美元的產出。

1.1.2第一次探月高潮取得的成果

人類通過對月球的探測, 獲得了極其豐富的數據, 對月球的形狀、大小、軌道參數、近月空間環境、月表結構與特徵、月球的岩石類型與化學組成、月球的資源與能源、月球的內部結構與演化歷史等的研究取得了一系列突破性進展, 對月球的起源和地月系統的相互作用與影響獲得了新的認識, 主要表現在以下幾個方面:

(1) 精確測定了月球的形狀、大小和運行軌道。月球是一個南北極稍扁、赤道處略有膨脹的圓球體, 極半徑比赤道半徑短約500m。月球的平均直徑為3476km, 相當於地球直徑的27%;質量為7.35~1022kg, 約為地球的1/81;體積只有地球的1/49。月球的表面積約為3800km2, 只有地球表面積的1/14, 大約相當於中國陸地面積的4倍;月球的平均密度為3.34g/cm3, 比地球的平均密度 (5.52g/cm3) 小得多;月球表面的引力也只有地球表面的1/6。月球圍繞着地球以橢圓形軌道運動, 其遠地點為406700km, 近地點為356400km, 與地球的平均距離為384403km, 大約相當於地球赤道長度的10倍。

(2) 月球現在沒有全球性磁場存在, 但月球的岩石有極微弱的剩磁, 磁化強度約 (2~4) ×10-6電磁單位/g, 這表明月球可能曾經有過較弱的全球性磁場。

(3) 月球表面基本上沒有大氣 (月球表面氣壓僅為約10-14大氣壓) , 由於沒有大氣的熱傳導, 月球表面晝夜温差極大 (140±10℃~170±10℃) 。

(4) 月球表面的主要地形單元為月海盆地、月陸和撞擊坑。月海是指地形相對低窪的大型盆地, 月球下面的月海約佔下面面積的一半, 北面月海分佈極少。撞擊作用導致大量岩石碎塊濺射並堆積在盆地周圍, 形成圍繞月海盆地的山系。月陸地稱高地, 是月面最古老的地形單元, 高地物質大部分是富含斜長石的深成岩。月海和月陸表面佈滿了撞擊坑, 直徑大於1km者佔月表面積的7~10%。較年青的撞擊坑尚保留在撞擊濺射物運動所形成的輻射紋。

(5) 月球表面由岩石碎屑和塵埃組成的風化層 (月壤) 所覆蓋, 它是在月球地質歷史時期由無數隕石撞擊所形成。由於月壤長期接受太陽—宇宙線的輻射, 因而儲存了獨特的太陽輻射歷史, 完整地記錄了40億年太陽活動的歷史, 這對了解地球上氣候的變化是非常重要的。月壤一般厚5~10m, 明顯地富集由太陽輻射注入的揮發性化學元素和同位素如H、He、N、C等, 初步估算全月球月壤中3He的資源量可達100~500萬噸。3He是人類未來可長期使用、清潔、安全而廉價的可控核聚變燃料, 其它副產品如氫、氮、二氧化碳等也將是月球基地生命保障體系的重要資源。

(6) 月球上沒有生命, 沒有活動的有機體、化石或有機體固有的有機化合物。

(7) 月球表面沒有水體, 月球的地質演化歷史中也沒有或只有極微量的水參與。

(8) 月球和地球在成因上是相互聯繫的, 它們都是由相同的物質“原料” (元素) 以不同的比例“混合”形成的。雖然組成月球和地球的化學元素相同, 但月球更富含難熔元素, 強烈地虧損鐵和揮發性元素。所有的月球岩石都是通過高温的內生過程 (岩漿或火山作用) 形成的。月岩可粗略地分為三類:玄武岩、斜長巖和角礫岩。

在月岩中已發現100多種礦物, 其中絕大多數礦物的成份和結構與地球的礦物相同, 只有靜海石等5種礦物在地球上未發現過。月球礦物普遍不含水, 礦物中的變價元素多為低價元素, 如Fe多為0價或2價鐵, 表明月球礦物是在缺水和還原的條件下形成的。

(9) 月球有一個厚的月殼 (60km) , 一個相當均一的岩石圈 (60~1000km深度) 和一個部分液化的巖流圈 (1000~1740km深度) , 在巖流圈的底部可能存在一個小的鐵核或硫化鐵核, 但其存在與否尚未得到證實。

(10) 月球在總體形態上有輕微的不對稱現象, 這可能是地球重力影響的結果, 月殼在月球背面較厚, 而大部分火山熔岩充填的大型月海盆地和選題瘤多存在於月球正面。在月球的內部, 質量並不是均勻分佈的, 大的質量密集區 (“質量瘤”) 位於許多大型月海盆地的表面之下。

(11) 現在的月球是一個古老的、“僵死”的星體。月球的內部能量已近於衰竭, 表面熱流僅為2μW/cm2, 內部的地温梯度也很小, 月震釋放的能量小於106J/h, 每年月震釋放的能量僅相當於地震的一億分之一。自31億年以來, 月球沒有發生過顯著的火山活動和構造運動, 因此, 月球的“地質時鐘”停滯在31億年之前, 至今仍保留了其早期形成時的歷史狀況。

(12) 根據對月球各類岩石的成份、結構與形成年齡的研究, 月球演化歷史的重大事件可歸納為以下幾個階段:

(a) 月球的形成年齡約45.6億年。

(b) 月球形成後曾發生過較大規模的岩漿洋事件, 通過岩漿的熔離過程和內部物質調整, 於41億年前形成了斜長巖月殼、月幔和月核。

(d) 月海氾濫事件, 在39~31.5億年前, 月球發生過多次劇烈的玄武岩噴發事件, 大量玄武岩充填了月海, 厚度達0.5~2.5km。

(e) 31.5億年以來, 月球內部的能源逐漸枯竭, 再也沒有發生大規模的岩漿火山活動與月震, 但小天體的撞擊仍然不斷髮生, 形成具有輻射紋及重疊的撞擊坑, 使月面斑駁陸離, 千瘡百孔。

(13) 月球起源的理論主要有四種假説 : (a) 捕獲説; (b) 共振潮汐分裂説; (c) 雙星説 (d) 大碰撞分裂説。近年來, “大碰撞分裂説”獲得了大量的證據並得到了大多數學者的支持。

1.2 月球探測與寧靜期 (1976年~1994年)

自1976年以來, 延續約18年沒有進行過任何成功的月球探測活動, 其原因可能是:隨着冷戰形勢的緩和, 隨後前蘇聯的解體, 空間霸權的爭奪有所緩解;需要總結探測活動耗資大、效率低、探測水平不高的經驗與教訓, 提出新的探測思路和戰略;以月球探測獲得的技術為基礎, 將月球探測技術向各領域轉化、推廣和應用, 完善航天技術系統, 研製新的空間探測技術, 如往返運輸系統、大推力火箭、高效探測儀器等, 為進一步開發利用外星資源進行科學和技術準備;需要較長時間進行探測資料的消化、分析和綜合, 將月球科學研究提高到更高理性認識的階段。

1.3 重返月球

1.3.1 重返月球進展概況

1986年, 空間探測技術和月球科學研究達到了新的階段, 對月球進行科學的、“理性”的探測時機已經成熟, 美國航空航天局 (NASA) 開始構思重返月球的計劃。1989年7月20日美國總統布什宣佈:“在即將到來的10年裏, 我們努力的目標是自由號太空船;然後, 在新的世紀, 我們要重返月球, 重返未來, 而且這一次要呆下去”。“要呆下去”開發利用月球礦產資源、能源和特殊環境, 建設月球基地, 為人類社會的可持續發展服務, 已成為新世紀月球探測的總體目標。

1994年和1998年, 美國成功發射了“克萊門汀”和“月球勘探者”號月球探測器, 對月球形貌、資源、水冰等進行了探測, 標誌着“又快、又好、又省”空間探測戰略的實施, 奏響了人類重返月球、建立月球基地的序曲。俄羅斯、歐洲空間局、日本和印度在上世紀九十年代也制定了月球探測的計劃, 並在積極實施中。在2002年10月的世界空間大會上, 美國宣佈將在近期啓動系統的月球探測新計劃, 開發利用月球資源。總之, 月球探測已經成為各航天國家空間探測的重點, 月球探測的新高潮即將到來。

1.3.2 重返月球和建立月球基地的原動力

(1) 重返月球是社會發展的需求:重返月球, 建立永久基地, 是人類開發太空資源, 拓展生存空間至關重要的第一步。通過這一系統工程, 人類可以學會如何“離開地球家園”, 建立像南極類型的永久研究站, 在地球以外空間生產產品和發展工業, 建立能夠自給自足的地外家園。

(2) 重返月球是科學和技術發展的需求:20世紀60~70年代的探月工程證實, 空間探測是一個具有極高產出率的項目, 它實現的真正價值往往遠遠高於工程本身。月球探測可以成為科學和技術的“孵化器”。

(3) 重返月球是空間科學技術發展的需求:重返月球是空間探測發展的必然, 月球將是人類長期進行深空探測的前哨和轉運站, 隨着技術的不斷成熟, 可以在月球基地上建設空間加“油”站和發射場。月球是一個龐大的“太空實驗室”, 可開展一系列天文學、空間科學, 近代物理學、生物工程學等的研究, 研製和生產一系列特殊生物製品和特殊材料。

(4) 重返月球是空間軍事活動發展的需求:月球將被用作空間新概念武器平台和對地球監視的基地, 是實現制“天”權的重要步驟。

(5) 月球藴藏有豐富的礦產資源和能源, 可為人類社會可持續發展提供資源儲備, 這一因素是重返月球最主要的原動力。