邮发代码:82-418   刊号:ISSN1671-4350   定价:12.00

​[去科技馆学科学]月球探测

魏 蕾/中国科学技术馆

2019-10/总第283期

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月球,作为地球的天然卫星,是距离地球最近的天体。从人类探索浩瀚宇宙的历程看,对月球的探测为人类迈向比月球更远的其他天体奠定了坚实的基础。2017年颁布的《义务教育小学科学课程标准》,要求学生“了解人类对宇宙的探索历史,关注我国及世界空间技术的最新发展”。在中国科学技术馆,可以通过“太空探索”展区的展品“月球科考”和“嫦娥与玉兔”了解月球的奥秘及我国的探月进展。

月球科考

1971年7月31日,美国“阿波罗15号”飞船的宇航员大卫·斯科特和詹姆斯·艾尔文实现了人类首次在月面驾驶月球车,他们驾驶月球车行驶了数千米,共收集了约77千克月球岩石标本。通过展品“月球科考”,可以模拟体验驾驶月球车在月面上行驶。

该展品由2个未来月球车三轴振动平台及投影等组成(见图1),利用虚拟现实和三轴振动平台技术,让观众体验虚拟驾驶月球车在月面行驶并执行科考任务。展品以未来人类登月后建设月球基地为故事背景,2名观众以比赛的形式驾驶月球车执行月球科考任务,寻找水冰资源、氦-3资源或玉兔号巡视器,每个任务都分布在月球上不同的地点,观众可以领略不同的月面风貌。观众坐在模拟月球车的座椅中,佩戴虚拟现实头盔,通过座椅两侧扶手上的按钮与摇杆虚拟驾驶月球车在月面行驶,三轴振动平台会根据观众经过的月面路况模拟起伏振动,犹如真实地在月面上行驶,从而让观众身临其境地感受月球地貌。此外,投影屏中会实时显示观众在月面行驶的第三视角画面,其余观众可从投影屏中观看参与观众在月面执行任务的情况。

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图1 展品“月球科考”

从虚拟驾驶月球车的体验过程中可以发现月球表面是起伏不平的,分布着许多月海、高地和撞击坑。月海是指月球上地形相对低洼的大型盆地。当我们仰望夜空,会看到月球上有大大小小的深色斑块,那就是月海。绝大多数月海分布在月球正面,约占正面面积的一半,而在月球背面月海分布极少(见图2)。高地是指月球表面高出月海的地区,一般比月球水准面高2〜3千米,它是月面最古老的地形单元。高地的反照率比较高,正是夜晚我们看到的月球上较明亮的那部分。在月球正面,高地的面积大致与月海相等。而在月球背面,高地的面积要比月海大得多。

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图2 月球正面(左)和月球背面(右)(图片来源:NASA)

撞击坑是指分布在月球表面密密麻麻的凹坑。据统计,月球表面的撞击坑总数在33 000个以上,尤其密集分布在高地的区域。撞击坑的大小不一,小到几十厘米或更小,而直径大于1千米的撞击坑的总面积约占整个月球表面积的7%〜10%。月球上的撞击坑多采用世界著名的科学家和思想家的名字命名,比如我们耳熟能详的哥白尼、第谷、伽利略等,以及我国古代科学家张衡、祖冲之、郭守敬等。此外,在月球上也有一些与地球上相似的山脉,它们多以地球上的山脉名称命名,如阿尔卑斯山脉、亚平宁山脉、高加索山脉等(见图3)。

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图3 月球上的地名(图片来源:中国科学院国家天文台探月工程数据发布与信息服务系统)

嫦娥与玉兔

我国于2004年正式启动探月工程,实行绕、落、回三步走计划。嫦娥一号于2007年10月24日成功发射,实现了我国月球探测从无到有的历史性突破,圆满完成了一期“绕月”使命。嫦娥二号于2010年10月1日成功发射,作为探月工程二期“落月”的先导星,成功试验了探月工程二期部分关键技术并对预选落月区域进行了重点探测。2013年12月14日,嫦娥三号在月面顺利软着陆,首次实现了我国航天器在地外天体软着陆。2019年1月3日,嫦娥四号安全着陆于月球背面,实现了人类探测器首次在月球背面软着陆,为人类揭开了古老月背的神秘面纱。随着嫦娥系列探测器的发展,我国对月探测能力不断提高,从展品“嫦娥与玉兔”中可以一睹嫦娥系列探测器的风采。

该展品由嫦娥探测器高仿真模型、展台、投影等部分组成(见图4)。观众可以近距离观看嫦娥探测器1∶1高仿真模型,并通过投影内容了解探测器相关科学任务及探测成果。从2016年“太空探索”展区开展至2019年1月,该展品展示了嫦娥三号探测器,观众可以近距离观看嫦娥三号着陆器和巡视器(玉兔号)的高仿真模型,结合图文讲解了解其结构和功能,并通过投影查询嫦娥三号探测器在月面拍摄的真实影像。2019年1月之后,根据我国探月工程的最新动态,该展品更新为嫦娥四号探测器的相关内容,观众在此可以看到嫦娥四号着陆器和巡视器(玉兔二号)的逼真面貌,了解我国空间技术的最新发展。

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图4 展品“嫦娥与玉兔”

从投影的多媒体内容中可以了解到嫦娥四号任务的顺利完成离不开一个重要的功臣——“鹊桥”中继卫星。由于潮汐锁定的作用,经过长期演化,月球绕地球公转的方向、周期和月球自转的方向、周期都趋于相同,导致月球总有一面是背对着地球的。这就好比甲、乙两人始终手拉手,甲在原地转圈,乙以甲为中心做圆周运动,在此过程中两人总是面对面,无法看到对方的背面。嫦娥四号的任务是要在月球背面实现软着陆,但是着陆在月球背面的嫦娥四号会受到月球自身的遮挡,无法直接与地球实现通信。因此,需要通过“鹊桥”中继卫星实现在月球背面的嫦娥四号与地面站的中继通信。

“鹊桥”中继卫星于2018年5月21日在西昌卫星发射中心成功发射。经过多天飞行,于2018年6月14日顺利进入环绕距离月球约6.5万千米的地月拉格朗日L2点的Halo使命轨道,成为世界上首颗运行在地月L2点Halo轨道的卫星。地月拉格朗日L2点位于地球和月球连线的延长线上,是地月的引力平衡点之一。“鹊桥”在该点附近,受地球和月球的引力之和使其可以与月球同步绕地球运动,与地球和月球处于几何关系几乎不变的状态,并能够连续对地球和月球背面同时可见,确保其一直与着陆于月球背面的嫦娥四号保持通讯,并与地面站建立联系;受地球和月球的影响小,所需的轨道维持燃料较少;很少被地球或月球遮挡,光照条件好,能获得丰富的太阳能(见图5)。基于以上优势,“鹊桥”中继卫星为地球和38万千米外的月球背面搭起了一座最长的“桥”。在“鹊桥”的辅助下,嫦娥四号着陆器和玉兔二号巡视器已顺利在月球背面开启漫漫的科学探测工作。

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图5 “鹊桥”中继卫星与地球、月球的相对位置关系示意图(图片来源:深空探测学报)

探月之路,遥远漫长,每一步都蕴含了无数航天人的艰辛付出。登上月球背面为人类打开了通往神秘宇宙的大门,是人类探索太空这万里长征中的重要一步。“不积跬步,无以至千里”,探索浩瀚宇宙永无止境。

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