嫦娥三号比地心引力更牛的科普大戏

中国航天 · 2016-11-22 18:26:04

将实现我国“落月”任务的嫦娥三号已整装待发。11月26日，国家国防科技工业局举行了嫦娥三号任务第一次新闻发布会，对外称嫦娥三号“进展顺利”，12月上旬择机发射。　　此前一周，好莱坞大片《地心引力》杀进中国，华丽的3d特效，太空“漫步”、近地轨道俯瞰地球和太空的别样美景，以及神舟、天宫等鲜明的中国元素，让国人提前享受了次太空之旅。然而，挑剔的观众很快发现片中的诸多硬伤：失重条件下，宇航员长发没有漂浮、卫星碎片飞行方向错误，等等。　　相比之下，曾在今年6月份给人印象颇深的天宫太空授课，则让人们对中国航天尤其是嫦娥三号“落月”这一真实的探索之旅充满期待。探月工程副总指挥李本正对中国青年报记者说，一旦嫦娥三号任务成功，其返回来的影像，将把月球的概貌、环境介绍得更为翔实，可让孩子更直观地认识月球、太阳系乃至更多深空。　　《地心引力》只是碰上了小概率灾难，探月才充满风险　　《地心引力》被一些人解读为航天灾难片，其中一颗卫星被炸所致的太空碎片是这一灾难的始作俑者——每隔90分钟来一场“流星雨”式的袭击，大凡近地轨道的太空站、载人飞船、航天飞机几乎都难幸免于难。　　然而，这一灾难的缘由在现实航天活动中只是小概率事件。航天专家、《国际太空》杂志执行主编庞之浩在接受中国青年报记者采访时说。　　现实中曾维修过“哈勃”太空望远镜的是“阿特兰蒂斯”号航天飞机。根据当时的计算结果，阿特兰蒂斯号执行维修任务期间遭太空碎片“灾难性撞击”的几率约为1/185。对于执行飞往国际空间站任务的航天飞机来说，这一几率通常为1/300。美国宇航局统计显示，“哈勃”自1990年升空以来，尚未因为太空碎片的撞击而遭受严重损伤。　　相比之下，像嫦娥三号这般肩负“落月”任务的探月工程才是真正的高风险。　　李本正说，据其掌握的资料统计，截至目前，不包括嫦娥三号，世界上共进行了129次月球探测活动，其中，美国59次，苏联64次，日本和中国各两次，欧空局和印度各1次。以上共成功或基本成功66次，失败63次，成功率仅有51%。　　另一个对高风险的直观认识，可依据“工程环节、零部件多与少”判断。科普作家、中国科技馆副研究员赵洋告诉中国青年报记者，环节越多，可靠性越差。　　一架航天飞机需要数百万个零部件，假设每个零部件的可靠性是99%，两个零部件的可靠性就是两者可靠性相乘的结果，约为98%。以此类推，零件越多，可靠性越小，也因此有了“美国不再发展航天飞机因其可靠性差”的说法。　　至于嫦娥三号，其具体可靠性数据尚不得而知，但究其环节而言，赵洋说，运载火箭将嫦娥三号探测器直接送入地月转移轨道，探测器在轨飞行几天，近月制动将被月球捕获，进入环月圆轨道，运行几天后，嫦娥三号变轨进入椭圆轨道，再经过一段时间即可实现“落月”。其后，巡视器(俗称月球车)将从着陆器里“走”出来，并完成在月面上的巡视，如此算下来，“落月”任务比单纯的“绕地”任务多的“不只一个两个环节”。　　尽管有着高风险，探月工程依然需要“勇敢”地开展。庞之浩说，在没有大气层的月球上，可以不间断地进行天文观测，加之月球上的重力只有地球的1/6，以及其自转与公转周期相同等因素，在月面上可以持续进行约14个地球日的夜间观测。　　这也就是为什么月球被称作最佳科研场所的原因。用“嫦娥之父”、中国月球探测工程首席科学家欧阳自远的话说，“月球上不仅矿产资源和能源丰富，而且月球也是人类征服太阳系、开展深空探测的前哨阵地和转运站。”　　近地轨道“中国拯救了世界”，但深空探测中国尚属第二集团　　在《地心引力》里，主人公最后的救命稻草是中国的“神舟飞船”，当影片里开始频频出现“神舟”、“天宫”时，不少影院里的观众开始唏嘘，也有人在网上戏谑道，“中国又一次拯救了世界。”　　但从现实的航天环境来看，这种情节的联想并非完全臆造。庞之浩说，近地轨道上的载人航天器主要分为空间站、载人飞船和航天飞机，而后者由于失事过多已经停止使用，加之空间站不具备天地往返能力，故载人飞船成了唯一能够“扭转”女主人公命运的航天器。而到目前为止，全世界已经具备自主载人航天能力的国家只有俄、美、中三国。　　不过，这只是近地轨道的太空世界，在深空探测即脱离地球引力场，进入太阳系空间和宇宙空间的探测领域，中国航天的位置又是如何呢？　　“人类共进行了上百次月球探测、 42次火星探测和40次金星探测。与先进国家相比，中国在科学认识和相关技术上还有较大差距。”欧阳自远告诉记者。　　众所周知，人类探索、开发和利用月球的活动，可概括为，探月、登月和驻(住)月三个阶段。庞之浩说，美国人已经完成了前两步；苏联人完成了第一步；中国则和欧洲航天局，日本、印度一起，同属第二集团，正在完成第一步，而这一步又分“绕”、“落”、“回”三小步，探月的第二集团现都完成了第一小步——绕月，并均准备实现第二小步。　　对于这一步，目前，全球仅有美国、苏联成功实施了13次无人月球表面软着陆；只有美国实现了载人登月，苏联开展了两次月面无人巡视探测任务。　　这意味着，如果嫦娥三号落月顺利实现，中国将在世界探月的第二集团中领先一步。庞之浩评价。　　然而，不管是嫦娥一号的“撞月”，还是嫦娥三号的“落月”，其所处的世界探月环境都颇不宁静，用庞之浩的话说即“赶上了竞争最为激烈的探月高潮期。”　　上世纪50年代末到70年代初，人类曾掀起第一轮探月高潮，主角是原苏联和美国。但后来，两国分别因为不同的原因，停止了探月活动。　　从1976年到1994年，被欧阳自远称为“宁静思考期”。期间，仅有日本发射了一次探测器。　　最近一次高潮就是当下，以2003年欧洲航天局成功发射“智慧1号”为起点，这是21世纪人类发射的第一个月球探测器，2009年6月，美国两个月球探测器升空。　　11月5日，就在中国的嫦娥三号运载火箭赴西昌发射场后的一周，印度发射了首颗火星探测器，将目光投向比月球更远的深空。而按照计划，印度今年还将发射由该国和俄罗斯共同研制的“月船2号”探测器。针对月球竞争之激烈可见一斑。　　“嫦娥”和“玉兔”将度过的每一道难关都是科普大餐　　其实，不必对一部科幻片苛求太多，赵洋说，通过电影，能让青少年对太空产生兴趣足矣。而现实中的嫦娥三号及其整个作业过程，才是一场更“真实”且“经得住刨根问底”的科普大戏。　　国防科工局对外称，嫦娥三号任务需突破地面试验验证，多窗口、窄宽度准时发射，月面软着陆，两器分离，月地间遥操作，月面生存，测控通信等七大关键技术。在赵洋眼中，其中每一项关键技术，都是一道丰盛的科普大餐。　　以月面软着陆为例，由于月球上没有大气层，嫦娥三号的“落月”无法像《地心引力》里被一团火焰包裹着的神舟飞船那样“落地”，只能依靠科研人员采用的变推力发动机、自主导航控制技术和研发缓冲吸能部件来实现“落月”。　　这其中运用到的原理就有中学生物理课本涉及的“相对运动”，以及“作用力与反作用力”，赵洋说，“看似和我们很遥远的‘嫦娥’，那样一个庞然大物，对孩子们而言，也可以通过自己所熟知的科学理论，来拉近彼此的距离。”　　在人们的想象中，“玉兔”号漫步虹湾，是件十分浪漫的事情，但现实的环境是，月球昼夜温差达330℃，而“玉兔”走得也远比人们想象得慢，时速仅约200米。　　这就是月面生存问题，必须保证在寒冷的月夜下着陆器和探测器不被冻坏，太阳出来时再自动唤醒开始工作。　　从国防科工局对外发布的信息看，“玉兔号”月球车利用导热流体回路、隔热组件、散热面设计、电加热器、同位素热源，可耐受330℃的温差。其中一个关键的内容就是“同位素热源”，而这“拗口”的专业术语在中学阶段的课本里也有体现，即“放射性同位素”。　　赵洋说，嫦娥三号所携带放射性同位素电池的热源就是放射性同位素，放射性同位素在衰变过程中会不断向外放出具有热能的射线。由于其衰变时间很长，也决定了放射性同位素电池可长期使用。　　一旦踏上月球，人们还要习惯使用天文单位。赵洋告诉记者，以地月38万公里的距离来计算，光速距离不到两秒钟，但就在这么“短短”的天文单位里，如何让“玉兔”号行走，即实现月地间遥操作，将用到包括人工智能、计算机、电子学等在内的多个领域的原理，这些都值得中学生关注。　　虽然现实中的航天活动，无法像电影那样过多展现太空美景和惊心动魄的生死情节，但在赵洋看来，对中国青少年的科普，点燃兴趣只是第一步，如果知其然而不知其所以然，则只是一场娱乐而不能称之为科普。从这个角度来说，嫦娥三号这场科普大戏很值得期待。

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