上世紀(jì)六七十年代的阿波羅登月計(jì)劃，是人類最偉大的探索之一。如今距離阿波羅11號(hào)探測(cè)任務(wù)首次實(shí)現(xiàn)載人登月已整整五十周年。50年間，探索月球的腳步從未停下，這其中，中國也發(fā)揮著十分重要的作用。 中國探月歷程 視頻由CCTV技術(shù)制作中心 央視數(shù)碼提供
7月19日凌晨，國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）在線發(fā)布了題為 China’s present and future lunar exploration program的文章，論文作者中國科學(xué)院國家天文臺(tái)李春來研究員等面對(duì)中國探月工程的現(xiàn)狀和未來，著重闡述了已實(shí)施四次月球探測(cè)任務(wù)所取得的成就、規(guī)劃中四次探測(cè)任務(wù)的技術(shù)和科學(xué)目標(biāo)，以及嫦娥任務(wù)之外的長期目標(biāo)和規(guī)劃，闡明了中國在堅(jiān)持關(guān)鍵技術(shù)和科學(xué)問題自主創(chuàng)新的前提下，開創(chuàng)協(xié)同國際社會(huì)攜手共同探索月球的國際化合作路線的戰(zhàn)略決策。本文對(duì)該論文的具體內(nèi)容進(jìn)行了翻譯及深度解譯。
論文截圖 Li et al., Science 365, 238–239 (2019) 19 July 2019
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從嫦娥一號(hào)到嫦娥四號(hào)，加上嫦娥五號(hào)再入返回試驗(yàn)任務(wù)，我國“嫦娥”工程五戰(zhàn)五捷，其中今年1月3日發(fā)射的嫦娥四號(hào)探測(cè)器更是成功著陸月球背面南極-艾特肯盆地馮·卡門坑內(nèi)。如同50年前美國宇航員尼爾·阿姆斯特朗踏上月球，實(shí)現(xiàn)了“個(gè)人一小步，人類一大步”的偉大壯舉，嫦娥四號(hào)著陸器和巡視器“玉兔2號(hào)”也在月球背面留下了人類首次到訪的足跡，開啟了人類月球探測(cè)的新篇章。
嫦娥四號(hào)著陸區(qū)及其地理名稱三維景觀圖。2019年2月4日，IAU批準(zhǔn)命名嫦娥四號(hào)著陸區(qū)附近5項(xiàng)地理實(shí)體名稱，其中嫦娥四號(hào)著陸點(diǎn)被命名為'天河基地' 圖片由地面應(yīng)用系統(tǒng)制作提供
嫦娥探月碩果累累
嫦娥四號(hào)是中國月球探測(cè)計(jì)劃“嫦娥工程”中的一項(xiàng)任務(wù)。2003年，中國制定了“繞、落、回”三期月球探測(cè)任務(wù)，命名為“嫦娥工程”，即2004-2020年期間通過環(huán)月探測(cè)對(duì)月球進(jìn)行全球性、綜合性和整體性的認(rèn)識(shí)；通過著陸器和月球車在月面軟著陸，開展“巡天、觀地與測(cè)月”工作；通過月面軟著陸器進(jìn)行鉆孔巖心取樣和鏟取月壤樣品并返回地球，對(duì)月球重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行精細(xì)勘察。
2019年1月3日，嫦娥四號(hào)著陸器著陸在月球背面馮·卡門坑內(nèi)，圖片由“玉兔二號(hào)”月球車攜帶的全景相機(jī)拍攝的圖像拼接而成 圖片來自CLEP&GRAS
各次任務(wù)科學(xué)目標(biāo)不斷遞進(jìn)，工程技術(shù)能力前后銜接。鑒于中國在該領(lǐng)域尚處在起步階段，這個(gè)時(shí)期月球探測(cè)的總體目標(biāo)被定位為具備月球探測(cè)技術(shù)能力，主要以空間技術(shù)為主，兼顧月球科學(xué)，通過工程實(shí)施奠定技術(shù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)探測(cè)。
經(jīng)過嫦娥一號(hào)、二號(hào)、三號(hào)和四號(hào)任務(wù)的成功執(zhí)行，中國在軌道設(shè)計(jì)、飛行控制、高精度測(cè)控、月面軟著陸和巡視探測(cè)等眾多空間技術(shù)上取得了長足的進(jìn)步和發(fā)展，為后續(xù)實(shí)施技術(shù)難度更大、復(fù)雜度更高的月球探測(cè)任務(wù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
與此同時(shí)，已開展的月球探測(cè)任務(wù)在科學(xué)成果上也取得了豐碩的成果。通過嫦娥一號(hào)和嫦娥二號(hào)的環(huán)月探測(cè)，獲取了包括7米分辨率的全月球影像數(shù)據(jù)和地形高程數(shù)據(jù)在內(nèi)的極具特色的月球探測(cè)數(shù)據(jù)，開創(chuàng)了“月球微波輻射”的研究先河，發(fā)現(xiàn)月球日夜交界面質(zhì)子的加速現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)和證實(shí)了月表微磁層的存在及其分布，并實(shí)現(xiàn)了世界首次對(duì)圖塔蒂斯小行星的探測(cè)。
嫦娥一號(hào)及嫦娥二號(hào)部分代表性成果 圖片由地面應(yīng)用系統(tǒng)制作提供
利用嫦娥三號(hào)著陸區(qū)探測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)一種新類型的月球玄武巖，探測(cè)了著陸區(qū)淺層結(jié)構(gòu)特性，在月面觀測(cè)了紫外波段某些恒星的亮度變化和地球等離子體層的變化。
嫦娥三號(hào)部分代表性成果 圖片由地面應(yīng)用系統(tǒng)制作提供
嫦娥四號(hào)著陸于馮·卡門撞擊坑底部的濺射堆積物上，第一次獲得了月球背面的就位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了可能來自月幔的月球深部物質(zhì)，再現(xiàn)了撞擊坑次表層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和撞擊濺射物的厚度。此外，月球背面獨(dú)特的電磁環(huán)境是開展低頻射電天文觀測(cè)與研究的絕佳地點(diǎn)，嫦娥四號(hào)將可能獲得太陽活動(dòng)產(chǎn)生的0.1-40MHz頻率范圍的低頻射電，以及地外行星磁層等探測(cè)的新發(fā)現(xiàn)。
（a)嫦娥四號(hào)著陸區(qū)馮·卡門坑附近影像圖；（b）“玉兔二號(hào)”月球車巡視路線圖；(c，d) 嫦娥四號(hào)地形地貌相機(jī)拍攝的VNIS在探測(cè)點(diǎn)A和S1處進(jìn)行光譜探測(cè) 圖片來自Li et al., Nature 569,378-382(2019).
2019年年底，中國將實(shí)施嫦娥五號(hào)任務(wù)，在風(fēng)暴洋北部，呂姆克穹隆附近的預(yù)選著陸區(qū)實(shí)現(xiàn)采樣返回，很有可能獲取的火山作用相關(guān)巖石或者年輕的月海玄武巖，將對(duì)月球地層定年、火山活動(dòng)及熱力學(xué)演化等科學(xué)問題開展研究。中國月球探測(cè)獲取的科學(xué)成果為人類進(jìn)一步深化人類對(duì)月球重要科學(xué)問題的認(rèn)知做出了貢獻(xiàn)，也推進(jìn)了國際月球與行星科學(xué)的發(fā)展。
圖片由地面應(yīng)用系統(tǒng)制作提供
科學(xué)探索從未停止
月球，作為地球唯一的天然衛(wèi)星，一直以來都是人類所關(guān)注的重點(diǎn)。盡管人類已開展了100多次月球探測(cè)任務(wù)，21世紀(jì)以來歐空局Smart-1，日本Selene，印度Chandrayaan-1，美國LRO、Grail、LADEE，以及中國的嫦娥一號(hào)至嫦娥四號(hào)先后開展了多次月球探測(cè)，并取得了很多新的發(fā)現(xiàn)和科學(xué)成果，但關(guān)于月球的謎團(tuán)仍是有增無減，作為人類最關(guān)注的自然科學(xué)基本問題之一的“月球起源與演化”至今依然在吸引著科學(xué)家去探尋。
歐陽自遠(yuǎn)院士：21世紀(jì)是人類征服太陽系為地球的可持續(xù)發(fā)展服務(wù)的新時(shí)代。跳出地球看地球，比較地球與太陽系各類天體的共性與特征，在更大的時(shí)空尺度整體性認(rèn)識(shí)地球，將會(huì)更深刻地揭示地球的形成與演化規(guī)律 圖片由歐陽自遠(yuǎn)院士提供
2005年，中國探月工程首任首席科學(xué)家歐陽自遠(yuǎn)研究提出了月球科學(xué)的14個(gè)關(guān)鍵問題：（1）月球大氣層的成分及其來源、大氣組分的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其演化過程；（2）月球的電離層；（3）月球地形地貌的類型與成因；（4）地月空間環(huán)境與月表環(huán)境；（5）月壤的物質(zhì)來源、分布特征與形成過程；（6）月球的主要巖石類型與分布；（7）月球的水冰之謎；（8）月球的大地構(gòu)造區(qū)劃；（9）月球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)與形成過程；（10）月球內(nèi)部物質(zhì)分布的不均一性；（11）月球全球性內(nèi)稟偶極磁場(chǎng)的演化；（12）月球內(nèi)部能源與月球物質(zhì)的演化；（13）月球演化的重大事件；（14）月球與地月系的起源。
這些科學(xué)問題也成為了中國設(shè)計(jì)月球探測(cè)發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃的藍(lán)圖，為中國月球探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)與載荷配置提供了指向。2018年，美國月球和行星研究所(LPI)月球探索分析組發(fā)布《推進(jìn)月球科學(xué)》報(bào)告，更新完善了月球探索的11個(gè)核心科學(xué)概念，以及針對(duì)這11個(gè)科學(xué)概念的研究建議。
2018年美國月球和行星研究所發(fā)布《推進(jìn)月球科學(xué)》報(bào)告 圖片來自網(wǎng)絡(luò)
在中國探索月球的過程中，還有一個(gè)關(guān)于1克阿波羅月球巖石的故事。1969年阿波羅11號(hào)攜帶航天員成功登月并返回地球，帶回了21.55千克的月球樣本。接下來的三年內(nèi)，NASA又相繼實(shí)施了阿波羅12~17號(hào)載人登月任務(wù)，其中除13號(hào)失敗，其他任務(wù)均獲得成功，將5批12名宇航員送上月球，總共帶回了381.7千克的月球巖石標(biāo)本。
1978年，當(dāng)時(shí)的美國總統(tǒng)卡特派國家安全事務(wù)顧問布熱津斯基訪問中國，商討1979年1月1日中美正式建交事項(xiàng)，將一塊月球巖石作為禮物送給了中國。這塊石頭被中辦轉(zhuǎn)交到了歐陽自遠(yuǎn)的手上，要求鑒定是不是月球的巖石。歐陽自遠(yuǎn)組織全國力量，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，利用國內(nèi)已有的各類分析測(cè)試儀器對(duì)其中的0.5克樣品進(jìn)行了全面分析，系統(tǒng)研究了巖石的礦物與化學(xué)成分，結(jié)構(gòu)構(gòu)造，形成環(huán)境和演化過程，共發(fā)表了14篇有分量的論文，證明是“阿波羅17”采回來的70017-291號(hào)巖石樣品。當(dāng)時(shí)美國同行評(píng)價(jià)：中國隕石研究已經(jīng)達(dá)到世界水平。剩余的0.5克月球巖石送給了北京天文館，向公眾展示。
1978年在中科院地球化學(xué)研究所實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，歐陽自遠(yuǎn)砸開嵌在有機(jī)玻璃內(nèi)的阿波羅-17巖石樣品，嵌在有機(jī)玻璃中的月巖看起來有大拇指大，砸開后只有一粒黃豆大小，才重一克 圖片由歐陽自遠(yuǎn)院士提供
1993年，歐陽自遠(yuǎn)院士帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)分別開展了國家“863計(jì)劃”——“中國開展月球探測(cè)的必要性與可行性研究”“中國開展月球探測(cè)的發(fā)展戰(zhàn)略與長遠(yuǎn)規(guī)劃”和“中國首次月球探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)、技術(shù)總要求和實(shí)施方案”的論證，研究報(bào)告中提出中國的無人月球探測(cè)劃分為三期實(shí)施，即“繞月探測(cè)”“落月探測(cè)”和“取樣返回”。中國科學(xué)院、863專家委員會(huì)分別組織了各領(lǐng)域相關(guān)專家評(píng)審，得到了各個(gè)專家委員會(huì)的贊同和強(qiáng)烈支持。
2000年11月，中國政府發(fā)表了《中國的航天》白皮書，明確提出開展以月球探測(cè)為主的深空探測(cè)研究。2003年，國防科工委預(yù)啟動(dòng)了中國首次月球探測(cè)工程，任命了欒恩杰院士為中國月球探測(cè)工程總指揮、孫家棟院士為總設(shè)計(jì)師和歐陽自遠(yuǎn)院士為科學(xué)應(yīng)用首席科學(xué)家。2004年，國務(wù)院批準(zhǔn)繞月探測(cè)工程立項(xiàng)，中國正式開展月球探測(cè)工程，并正式將工程命名為“嫦娥工程”。由此，中國正式登上了人類探測(cè)月球的歷史舞臺(tái)，拉開了開創(chuàng)航天強(qiáng)國的序幕。
建立月球基地不是夢(mèng)
繼嫦娥工程“繞、落、回”三期任務(wù)的啟動(dòng)與實(shí)施之后，2015年中國提出了2030年前將開展“勘、建、用”的后續(xù)任務(wù)規(guī)劃?！翱薄?，勘察月球環(huán)境和資源；“建”，建立長期基礎(chǔ)科研平臺(tái)；“用”，開采可利用資源技術(shù)驗(yàn)證。
總體科學(xué)目標(biāo)將包括：（1）探測(cè)水和揮發(fā)性組分的全月面分布、含量及來源；（2）探測(cè)月球深部物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)；（3）測(cè)定月球南極-艾特肯盆地的年齡；（4）探測(cè)月球南極空間物理環(huán)境。應(yīng)用目標(biāo)包括：（1）月球資源（水、氦等）就位利用試驗(yàn)；（2）月基對(duì)地觀測(cè)與研究；（3）月面生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)試驗(yàn)等等。
目前，基于總體科學(xué)目標(biāo)，初步規(guī)劃了2030年前在月球南極地區(qū)開展嫦娥六號(hào)月球樣品自動(dòng)采樣返回，嫦娥七號(hào)月球極區(qū)環(huán)境與資源綜合勘查、嫦娥八號(hào)驗(yàn)證月面“3D打印”房子等關(guān)鍵技術(shù)等三次任務(wù)，建成具備科學(xué)探測(cè)、科研試驗(yàn)和資源利用技術(shù)驗(yàn)證的綜合功能月球機(jī)器人科研站，完成月球資源開采和利用、生物再生生命保障等技術(shù)驗(yàn)證，從空間技術(shù)發(fā)展為主逐漸過渡到空間科學(xué)和空間應(yīng)用并重。
為完成這些任務(wù)，需要攻克月面高精度定點(diǎn)著陸、陰影坑飛躍探測(cè)、適應(yīng)極區(qū)惡劣環(huán)境的智能機(jī)器人、大承載著陸、智能機(jī)器人協(xié)同操作、月球科研站指揮中樞綜合控制、稀有氣體分離提取等月球科研站關(guān)鍵技術(shù)，建成月球科研站基本型，具備全月面到達(dá)、長時(shí)段工作、高智能操作能力。開展有應(yīng)用前景的資源開發(fā)與利用技術(shù)驗(yàn)證，提升月球科學(xué)與資源應(yīng)用能力，為未來月球科研站建設(shè)與運(yùn)營，以及載人探月奠定基礎(chǔ)。
圖片信息來自Li et al., Science 365, 238–239 (2019) 19 July 2019，由地面應(yīng)用系統(tǒng)制作提供
2030年后，中國后續(xù)月球探測(cè)將繼續(xù)朝著機(jī)器人探測(cè)和載人探測(cè)兩個(gè)方向發(fā)展。出于技術(shù)跨度、 火箭選型、 經(jīng)濟(jì)可承受性、效費(fèi)比等方面因素考慮，機(jī)器人探測(cè)將成為后續(xù)月球探測(cè)任務(wù)的首要發(fā)展方向，通過深化月球科學(xué)探測(cè)并驗(yàn)證資源開發(fā)與利用、生物再生生命保障等技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人長期駐留工作、 短期可容納宇航員造訪的月球基地。
在未來?xiàng)l件成熟時(shí)，將向載人探測(cè)方向的發(fā)展, 實(shí)現(xiàn)載人登月, 最終實(shí)現(xiàn)可容納人類宇航員長期駐留的月球基地。
月球基地想象圖 圖片來自網(wǎng)絡(luò)
攜手國際社會(huì)同探月
中國在堅(jiān)持關(guān)鍵技術(shù)和科學(xué)問題自主創(chuàng)新的前提下，一直在協(xié)同國際社會(huì)攜手共同探索月球，國際化合作是中國月球與深空探測(cè)發(fā)展戰(zhàn)略的一個(gè)重要趨勢(shì)。在嫦娥四號(hào)任務(wù)中，中國向國際社會(huì)開放載荷資源并提供搭載平臺(tái)，通過征集在著陸器、巡視器和中繼星上分別搭載了由德國、瑞典和荷蘭研制的月表中子與輻射劑量探測(cè)儀，中性原子分析儀和低頻射電探測(cè)儀，并與這些國家在科學(xué)載荷研制、科學(xué)探測(cè)規(guī)劃、探測(cè)數(shù)據(jù)研究以及成果共享等方面展開了深入合作，共同完成國際首次月球背面軟著陸探測(cè)任務(wù)。
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