飞临月球，是人类久远以来的梦想，中国人用20年时间圆了奔月梦。虽然比先期开展月球探测的国家晚了若干年，但我们获得的成果令世人瞩目。

　　本期，中国科学院院士、中国月球探测工程首席科学家欧阳自远为读者全面解读我国探月工程的系统集成、成果乃至未来设计。

　　规划：“绕、落、回”三步走

　　“2020年以前，我国的月球探测工程为无人月球探测，工程规划为三期，简称‘绕、落、回’三步。”中国科学院院士、中国月球探测计划首席科学家欧阳自远介绍说。

　　第一步：绕月飞行（2004年—2007年）。即发射我国第一颗月球探测卫星，突破至地外天体的飞行技术，实现首次绕月飞行。工程目标为：研制和发射中国第一颗月球探测卫星、初步掌握绕月探测基本技术、首次开展月球科学探测、初步构建月球探测航天工程系统、为月球探测后续工程积累经验。科学目标为：获取月球表面三维影像、分析月球表面有用元素含量和物质类型的分布特点、探测月壤特性、探测近月空间环境。

　　第二步：落月探测（2013年前后）。即发射月球软着陆器，并携带月球巡视勘察器（俗称月球车），在着陆区附近进行着陆器的就位探测和月球车的巡视探测，这一阶段将主要突破在地外天体上实施软着陆技术和自动巡视勘测技术。工程目标包括：突破月球软着陆、自动巡视勘察、深空测控通信、月夜生存等关键技术，提升航天技术水平；研制月球软着陆探测器和月面巡视探测器，建立地面深空站，获得包括运载火箭、探测器、深空站等在内的功能模块，具备月球软着陆探测的基本能力；建立月球探测航天工程基本体系，为后续工程服务。科学目标为：月表形貌与地质构造调查、月表物质成分和可利用资源调查、月球内部结构研究、日—地—月空间环境探测、月基光学天文观测等。

　　第三步：采样返回（2017年前后）。即发射月球采样返回器，软着陆在月球表面特定区域，进行着陆区的地形地貌、物质组成、环境特征、内部结构的探测，进行月表采样器采样和月表钻岩机钻孔取岩芯，然后将月球样品带回地球，在地面上对样品进行系统、综合和精细分析研究。这一步将主要突破采样返回探测器小型采样返回舱、月表钻岩机、月表采样器、机器人操作臂等返回器自地外天体自动返回地球的技术。其科学目标包括：探测区月貌与月质背景的调查与研究、月壤和月岩样品的采集并返回地面、月壤与月岩样品的实验室系统研究与某些重要资源利用前景的评估、月壤和月壳的形成与演化研究、月基空间环境和空间天气探测。“三期工程将深化对月壤、月壳和月球形成及演化的认识，并为月球探测后续工程提供数据支持。它将是在二期工程基础上的一个腾飞，也是后续载人登月工程的一个起点。”欧阳自远说。

　　成果：圆满完成既定目标

　　从2007年10月24日发射成功，到2009年3月1日成功“受控撞月”，经历了长达494天的太空漫游后，“嫦娥一号”卫星为我国探月一期工程画上了圆满的句号。

　　“我可以很欣慰地说，‘嫦娥一号’的任务完成得非常出色，原定的4个科学目标顺利完成。”欧阳自远说。

　　一是获取了当今唯一全覆盖月球表面的二维影像图和三维立体影像图。编制了完全符合测绘精度的1/250万比例尺的全月球影像图、地形图和等高线图，我们依此初步划分了月球表面的基本地貌和构造单元，初步编制了月球三维地形图及月球断裂和环形影像纲要图。这些图件还为以后探月工程中的月面软着陆选址和月球基地位置优选提供了基础资料。

　　二是分析了月球表面有用元素含量和物质类型的分布特点。主要是勘察了月球表面有利用价值的铀、钍、钾、钛、铁等元素的含量和分布，月球主要矿物和岩石类型的分布。为研究月球形成和演化历史提供直接和有效的证据，并为未来开发和利用月球资源提供了依据。

　　三是利用微波辐射计探测月壤的电磁特性，获取了大量月球表面亮度温度的数据和图件，反演全月球月壤层的厚度与分布，分析了月壤成熟度与表面年龄的关系，并在此基础上，估算出核聚变发电燃料氦-3在月壤层中的含量及资源量等；

　　四是积累了大量近月空间环境的探测数据，包括近月的行星际空间、月球遮挡太阳的区域、近月空间的地球磁鞘区和磁尾区。研究了太阳风和月球的相互作用，深入认识了空间物理现象对地球空间以及对月球空间的影响。

　　2010年10月1日，由“嫦娥一号”的备份星改造而成的“嫦娥二号”卫星成功发射升空。

　　“虽然是由备份星改造而来，但‘嫦娥二号’的任务绝不是‘嫦娥一号’的简单重复。”欧阳自远说，“按照我国探月工程‘绕、落、回’的三步规划，‘嫦娥二号’实际上相当于‘绕月’和‘落月’之间的桥梁和纽带，其重要任务是为将来‘嫦娥三号’实现月面软着陆进行关键技术验证。”

　　“嫦娥二号”承担着10大使命。其中6个技术验证使命是：一、配合运载火箭验证地月转移轨道直接发射技术；二、验证距月面100公里近月制动的月球轨道捕获技术；三、验证100公里×15公里轨道机动与飞行技术；四、对二期工程的备选着陆区进行高分辨率成像试验；五、搭载轻小型化X频段深空应答机，配合我国新建的X频段地面测控站，试验X频段测控技术；六、试验遥测信道低密度奇偶校验码（LDPC）编码技术，月地高速数据传输技术及降落相机技术。4个科学探测使命是：一、获取更高精度全月球表面三维影像，分辨率由嫦娥一号卫星的120米提高至优于10米；二、探测月球多种元素、矿物和岩石的成分与分布；三、精细探测月壤特性；四、探测、积累和研究地月空间与近月空间的环境特征与变化。

　　2010年11月8日，“嫦娥二号”拍摄的月球虹湾影像图精彩亮相，中国探月工程二期“嫦娥二号”任务圆满完成。

　　“嫦娥一号”和“嫦娥二号”发回了大量资料，欧阳自远说：“我们目前还在对这些资料做各种数据分析和测算。同时，我们已经将全部科学探测数据公布在网上，可以直接下载，公开向国内外的科学家无偿提供。我们欢迎所有科学家的参与，并希望大家能够拿出更多更好的科研成果。”

　　收获：出色突破关键技术

　　绕月探测工程的卫星飞行距离远，面对的空间环境条件复杂，需要突破一系列关键技术。

　　以“嫦娥一号”卫星为例。

　　首先是轨道设计和发射约束技术。飞行过程中，探月卫星需要考虑地球、月球和卫星三者的相对运动，所以轨道设计需要解决复杂的三体运动问题、卫星发射窗口问题，同时还要考虑能源、卫星可测控等问题。按设计，“嫦娥一号”卫星进入月球引力区时，要对卫星进行适时“刹车”，让其被月球引力捕获，成为月球的卫星。欧阳自远说：“‘刹车’是否成功，取决于卫星当时的位置和速度矢量。‘刹车’晚了或早了，卫星就要撞到月球上或是飘向太空。经过反复复核、复算，我们成功突破了这个技术难题。”

　　其次是测控通信和控制技术。月球与地球之间距离远，以往用于地球卫星测控的天线信道余量不足。通过新建较大天线，测控系统接收信号能力增强。同时引入甚长基线干涉天文测量技术，协助解决了远距离测控和绕月探测工程测量精度要求高的技术难题。

　　此外，还有“三体定向”技术，即卫星在飞行过程中，太阳电池阵要朝向太阳以保证卫星所需能量，定向天线要朝向地球以保证通信、控制和数据传输，有效载荷要朝向月球以获取月球探测数据和图像。要解决卫星的环境适应性设计难题，月球昼夜温差达300℃，而且还要经过两次月蚀，对卫星供电是个考验。要进行科学数据的定标和反演：“嫦娥一号”搭载的有效载荷，在上天之前要进行标定以保证科学数据的准确性，因无月球样品，需按国际上已取得的月球研究成果，人工配制样品进行定标；而由于卫星姿态、轨道高度、空间环境的影响，还必须对探测数据进行消除各种偏差的处理，才能反演出真实可信的科学数据。

　　与“嫦娥一号”相比，“嫦娥二号”卫星任务实施过程需要解决更多的技术问题。

　　发射：“嫦娥二号”起飞重量2480公斤，本不必使用长征三号丙火箭，但它要直接进入地月转移轨道，需要更强运载能力，因此选择运载能力达3800公斤的长征三号丙火箭。

　　直接奔月：“嫦娥一号”是先绕地球飞行3圈，用了13天14小时19分的时间才到达月球；“嫦娥二号”则是走捷径，直接进入奔月轨道，只需4天多的时间到达月球。

　　近月制动：当到达月球附近特定位置时，卫星必须“急刹车”，即近月制动，以确保卫星既能被月球准确捕获，也不会撞上月球，并逐步调整轨道进入距离月面100公里高度、周期12小时的极月（通过月球南北极）圆轨道。

　　降轨：进入100公里的极月圆轨道之后，卫星需择机变轨，进入100公里×15公里椭圆轨道，用CCD立体相机在15公里近月点拍摄分辨率优于1.5米的虹湾预选着陆区图像，并验证轨道机动与快速测定轨等相关技术，为后续着陆做准备。月球表面有10公里左右的高山，也有10公里左右的沟谷，这对卫星控制技术和测控技术的要求将更高。

　　升轨：在100公里×15公里轨道运行1—2天后，卫星需返回100公里环月轨道，全部载荷将开机，继续开展为期约半年的技术试验和科学探测。

　　嫦娥二号工程还建立了X频段快速精确测控体系，地面系统的数据接收能力由每秒3兆提高到12兆。相关有效载荷探测仪器的技术性能都有明显提高。

　　毋庸置疑，“嫦娥一号”和“嫦娥二号”出色解决了全部关键技术与难点。

　　

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