与嫦娥工程首席科学家共话探月(组图)

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2007年2月7日，《航天员》《中国国家天文》两刊记者联合采访了中国嫦娥工程首席科学家欧阳自远院士。针对当前航天各国重新兴起的探月高潮、中国即将发射“嫦娥一号”探月卫星等问题，请欧阳院士为我们做了详尽的解答。在采访过程中我们感受到了一位治学严谨的科学家的睿智，更看到了一位积极推动中国科普事业的楷模。他说：“我最大的希望就是这项工作(嫦娥工程)能得到公众的理解和支持，把它变成大家的一个思路，一次行动……”

　　记者：请问上世纪的月球探测有哪些成就？这些成就对后来产生了什么影响？

　　欧阳自远：上世纪的月球探测取得了很大的成功，主要是美国和苏联。苏联第一次实现了绕月飞行，第一次发射了月球着陆器和月球车，第一次无人从月球自动取样返回，第一次拍到了月球背面的照片……月球地名有一半都是他们命名的。美国 “阿波罗”计划的实现是人类的伟大壮举，人类的足迹踏上了另外一个星球，我认为是美国科学家、美国人民对世界做出的一大贡献。他们取得了很大的经济效益和科技效益，投入产出比是1：14，不仅产生了3000多种应用技术成果，还带动了世界20多年科技的发展和工业的繁荣。月球探测带动了学科的交叉渗透与创新发展、高新技术的突破与推广应用、经济的繁荣和社会的进步。

　　记者：我记得您说过“中国探月起步晚，但起点要高；既与国际接轨，又要紧密结合国情”，从这次“嫦娥一号”的四大科学目标来看，请问它们是怎样确立的？当时出于怎样的考虑？

　　欧阳自远：你提到的四大科学目标，主要牵涉到中国的技术能力和世界月球探测的发展趋势，上世纪六七十年代全世界已经进行了108次探测，成功只有52次，大部分是失败的。1992年，我国载人航天立项，表明中国有能力发射载人航天器和实现载人航天，也有能力实现月球探测。

　　除了一定要立足自己的能力外，我们必须结合国际的发展趋势和实际情况，要有前瞻性、创新性和可行性。首先要编制一个中国月球探测长远的发展规划并制定第一次月球探测具体的实施方案和研制总要求。我们可以提出上百个探测目标，但要扬长避短，要筛选最重要、有特色、有创新的项目。不但我们做，估计后来的国家也会做。2002年我们公布了中国首次绕月探测的科学目标，后几年印度和美国相继公布了他们绕月探测的目标和我们基本一致，可以说是“所见略同”(笑)。

　　第一个目标，肯定要做一个月球三维立体地图，我们发现前人做的地图有很多空隙，南北极也没有完全覆盖到，而且大多不是立体图，我们要做一个覆盖全月球的最高级的立体图。第二个目标是很新的工作。1998年，美国开始探测月球的资源，我们觉得这也是世界探月的新方向，月球的矿产资源，所包含的元素、成分、分布，对研究月球的起源和演化都有很重要的意义。关于元素，美国做了5种，我们力争做14种。如果能实现，也算是我们有所进步吧。第三个科学目标是大家很关心的，人类需要一种终极的能源，石油、天然气、煤炭迟早都要耗光，氦-3是可控核聚变的第二代燃料，地球上的资源严重匮乏，而月球上的资源几乎是取之不尽、用之不竭。所以我们现在要做的就是探测全月球月壤层的厚度并反演氦-3的资源量和分布。我们经过一两年的论证，认为是可以实现的。国际上对这个目标很关注，现在美国和欧洲也在考虑做。第四个目标是探测日-地-月空间的环境，这是我国第一次探测距离地球40万千米范围内的空间环境，这是一项基础性的工作。

　　记者：这里面有哪些目标是我国可以做，而其它国家想没有做到的？

　　欧阳自远：上世纪六七十年代，受到当时技术水平的限制，大多的月球地图都是平面的。最近才开始做三维影像图，但留有不少空白区，特别是两极地区覆盖不完全，这是因为那里的日照角非常低，难以成像。我们用的是激光高度计配合立体相机，一秒钟测量一个点，探测一年，覆盖效果会比较好，最终获得覆盖全月面的图像。另外他们当时为了探测月球资源分布的情况，只用了伽玛谱仪，整个探测技术水平不如今天，我们采用了伽玛谱仪、 X射线谱仪和干涉成像光谱仪联合探测，争取能探测到14种元素。探测全月球月壤厚度并反演氦-3的资源量，开始他们很难理解，通过交流他们觉得很有意义，决定安排类似的探测。大概这三件事，他们都是做得不完美或者还没有做过。

　　记者：我国确立这次探月的科学目标是以科学家为主的，美国最近公布了要做的181件事，请公众参与进来，请问我们的探月计划是否也会集思广益？

　　欧阳自远：以后我们肯定也要走这条路，但第一次比较简化。第一次月球探测国家想做一个“中华牌”的卫星，全部探测仪器都是由本国研制。以后慢慢我们也会让公众、学生参与一些很有意义的奇思妙想或者接受企业的贡献、优选项目。美国那181件也都是需要优选的。让公众了解月球探测，请公众参与月球探测，需要一个过程，发挥大家的积极性，让大家关注和参与这个事件，这是必然的方向。

　　记者：卫星上的有效载荷我们应该遵循什么样的挑选原则？能简单地讲讲其中主要载荷的作用吗？

　　欧阳自远：有效载荷的目的就是有效地实现科学目标。根据目标提出技术性能，选择和通过竞争由国内最具有实力的单位来完成。我们要求有效载荷的研制应该应用先进技术，集成化、轻量化和高效化，推动相关技术的突破与发展。根据四个科学目标的要求，比如要获取月表三维立体影像，采用立体成像相机和激光高度计配合；探测月球表面物质成分，采用三台仪器互相补充。一台伽玛谱仪，一台X射线谱仪和一台成像光谱仪。三者联合起来工作，能更好地勘察月球表面钛、铁等14种元素的含量和分布。微波辐射计是用来探测月壤性能，测定月表的亮度温度分布，再反演月壤的厚度，再以月壤的厚度反算氦-3的资源量和分布。探测地月空间环境，采用高能粒子探测器和低能离子探测器。所以说我们完全是根据科学目标的实现和推动我国科学技术的进步来选择的。

　　记者：听说这次“嫦娥一号”会搭载30首中国歌曲？有什么特殊意义吗？到时候我们以什么样的方式可以听到？

　　欧阳自远：这个设计是临时加的。因为把月球探测卫星发射上去，它要绕地球运行大约3天，从地球奔向月球要4-5天，被月球捕获后还要调整轨道，进入工作轨道，总共大约要半个月的时间。这半个月怎么让人们了解月球探测卫星的进程？需要一种东西联系着，让人们体验和感觉到它在奔向目的地，在干活。我们可以学“东方红”(指我国第一颗人造地球卫星东方红)播放歌曲。全国选30首，反映中华民族的团结奋斗历程和建设美好和谐社会的理想。这样随时报道“嫦娥1号”的行程，并播放歌曲。总之让地球上期待的人们和“嫦娥1号”月球探测卫星都不要太寂寞。歌曲由月球探测卫星用固定的频率向太空播放，地球上的人们用一般的收音机都可以听到。

　　记者：卫星拍到的第一张月球照片会公开吗？大约什么时候可以公布？

　　欧阳自远：月球探测卫星发回的第一张照片会公开。我们接收到数据，不做精细校正，就可以尽快公布。至于具体时间，我只能说大概接到月球数据后的一个小时。

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　记者：“嫦娥一号”工程有五大系统，包括月球探测卫星系统、运载火箭系统、发射场系统、测控系统和地面应用系统。发射一颗月球探测卫星，其任务的特殊性对五大系统都有什么特殊的要求？

　　欧阳自远：“嫦娥一号”工程有五大系统。运载火箭系统的任务是成功发射，准确入轨。

　　卫星系统的任务是精确变轨，绕月飞行，有效探测和确保一年寿命；月球探测卫星与地球卫星很不一样。月球环境很恶劣，温差很大，而所有探测仪器要保持在正负40度范围内工作，对温控要求高；。月球探测卫星要求三轴稳定，即太阳帆板对日，仪器对月，通讯对地，只要有一个对不上，就很难工作，这很苛刻；地球卫星只有两轴的问题，探测和通信都是对地方向，只要太阳帆板对日就可以工作。

　　测控系统要确保跟踪完整，测量准确和指令无误。由于地球与月球的平均距离38万千米，因为太远了，我国已有的测控网远远不够，当前还没有建立完善的深空测控网。我们增加了两个直径18米的测控天线。目前我们在北京密云新建了一个直径50米的天线，昆明建了一个直径40米的天线，加上上海、乌鲁木齐两个直径25米的天线组成了一个甚长基线干涉测量系统(VLBI)，辅助USB系统，联合起来才能达到测控要求。

　　发射场系统的任务是精心组织，保障到位，测试规范和确保安全。

　　地面应用系统要确保可靠运行，精心处理并取得成果。由于地月距离太远，探测数据传回地球衰减太大，起码需要直径40米以上的天线才能有效接收。在密云新建直径50米的天线，曲面有6个篮球场那么大，作为数据接收的主要天线。新建的昆明直径40米天线，作为备份，以确保科学数据的接收。

　　从探月工程立项到发射只有3年多时间，我们充分利用已有的条件，以完满实现“嫦娥1号”的探测任务。

　　记者：发射探月卫星并不是一件容易的事，一些技术难关需要攻克。请问现在这些问题都已经解决了吗？从我们自身系统来看还有什么担心之处？

　　欧阳自远：嫦娥工程总指挥栾恩杰总结了四大难关。第一是轨道设计；第二是测控能力，；第三是月球探测卫星的三轴定位稳定；第四是远距离数据接收。另外还有卫星如何“过夜”的问题。我们的轨道是127分钟转一圈，一半时间有阳光照射，一半时间黑暗；一半时间有能源，一半时间没有；热冷频繁交替，蓄电池必须频繁地充电，放电，再充电，再放电。特别是

　　一年有两次月食，月全食时地球挡住太阳光大约5小时。因为没有能源，全部仪器都要关掉不能工作，但卫星里的温度又不能低于零下40度，不然一些设备会坏掉。我们的蓄电池能不能坚持5小时？充电放电反复多次，效率就会降低。通过论证，“嫦娥1号”卫星能熬过月食带来的挑战。

　　记者：“嫦娥一号”的寿命为一年。请问一年后怎样处理它？

　　欧阳自远：我们希望能延长探测时间，获得更多的科学数据。一年后如何处理有很多方案，一般公认的办法是撞击月球，欧空局的smart-1撞击月球并没有得到很有价值的科学成果。我们也不想让它自己掉下来，不如主动撞，至于结果，能捞到什么就捞什么。(笑)

　　记者：如果是自动运行，它要多久才会自己掉下来？

　　欧阳自远：不一定，这要看轨道。因为月球内部质量分布不均匀，它里面有一些“瘤子”，我们叫它“质量瘤”，有几个非常大，有的“瘤子”的直径有几百千米。卫星的轨道飞到“质量瘤”上空，就要下降一点。

　　记者： 请问“嫦娥一号”的发射窗口与一般的地球卫星比较有什么不同？

　　欧阳自远：月球的自转与公转周期相同，都是一个月。为了选择最优的位置进入环月科学探测轨道，考虑到日-地-月的相互运行关系，探月卫星的光照角、卫星的运行姿态、地面测控和数据传输的条件，计算结果表明，科学家设计了一条标称轨道，一个月内只有某一天是最理想的进入环月轨道，也就是一个月内只有一次机会进入环月轨道，因而发射的时机一个月就只有一次。在这一次发射的时段中，最理想是按时发射，这个时间称为零窗口。在零窗口前或后发射都将影响到升空后卫星的轨道调整，若偏离零窗口的时间太长，轨道调整的难度越来越大，消耗的燃料越多，甚至无法调整回归。针对“嫦娥1号”的轨道设计，可以接受的发射时间最好在零窗口及偏离后的35分钟之内。嫦娥1号月球探测卫星的发射窗口一旦错过，只得等待其他月份的某一天的另一个35分钟。

　　卫星发射要求发射场的气象条件极其苛刻，对温度、湿度、平均风速、高空风速都有严格要求，并要求距发射中心30—40千米范围内无浓雾、雨、雪和雷电，能见度不小于20 千米。若发射窗口不具备发射条件，必须更改发射计划。为确保发射窗口，准备提前1—3天发射，让嫦娥1号环绕地球多运行1—3天，再按零窗口要求飞奔月球。

　　记者：国外的探月情况如何？我们处于什么样的形势中？

　　欧阳自远：我们就谈谈国外今后的月球探测计划。美国的计划是2008年进行绕月探测，2010-2011年发射软着落器，即落月，最快在2018年争取实现载人登月，2025年通过月球去火星。这说明最近12年，他们还没有能力登月，也可以说今后10年，世界上没有一个国家有能力载人登月，美国的火箭和飞船都在重新研制。

　　欧洲的计划概括来说全部比美国晚5年。日本计划今年发射绕月卫星“月神一号”月球探测卫星，2011年实现月球软着陆探测。印度计划2008年发射绕月探测卫星。俄罗斯计划2009年发射绕月探测卫星。英国、德国也想摆脱欧空局束缚，自己发射月球探测器。还有巴西也要探月。我们国家计划2007年发射月球探测卫星，2012年软着陆月球。

　　总指挥栾恩杰说现在的形势是前有堵截后有追兵，是机遇也是挑战。总之，我们踏踏实实干自己的工作，争取在整体水平上不落后其它国家，时间上也不能太晚。

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　　记者：听说早在1978年，美国卡特总统安全事务顾问布热津斯基送给中国1克月球样品，中科院曾组织全国力量对0.5克月球样品进行了初步研究，请问当时我们对样品做出了什么样的研究，从中得到了哪些结论？

　　欧阳自远：1978年5月，美国总统安全事务顾问布热津斯基代表卡特总统向华国锋主席赠送一块月岩样品和一面美国宇航员带上月球的中华人民共和国国旗。事后华国锋主席将月岩样品交给国务院办公厅，国务院办公厅询问中国科学院，得知中国科学院地球化学所欧阳自远等从事这方面的研究，国务院办公厅通知中国科学院地球化学研究所到北京取回样品并进行分析测试与研究。由于样品压铸在半圆形突透镜状的有机玻璃内，只能在超净手套箱进行样品分装，取出后的样品只有一克重。我们当时决定，用0.5克样品完成全部分析测试与研究工作。

　　根据设计好的分析测试与研究方案和流程：首先进行非破坏性分析测试：如表面形态(扫描电镜)、14MeV快中子活化分析、仪器中子活化分析、穆斯鲍尔谱分析等；再进行破坏性分析测试：如矿物、岩石学、结构构造切片研究、主要与次要量微量化学分析、微量元素火花源质谱分析、放射化分离中子活化分析、电子探针分析、X光电子能谱分析、热释光分析等。为了完成这些工作，我们联合国内的中国科学院原子能研究所、原子核研究所、长春应用化学研究所、高能物理研究所、昆明冶金研究所和上海石油化工总厂共同进行分析测试与研究。

　　通过系统研究，确认这是Apollo 17 B型高钛月海玄武岩，确定样品编号为70017-291，补充了70017的化学成分、矿物成分、表面结构、形成环境等新资料，并极大地促进了我国月球科学的发展和微量微区分析技术的进步。共发表了14篇研究论文。留下的0.5克月球岩石样品送交北京天文馆展出，供公众参观。研究成果得到中国科学院和国务院办公厅的表扬。论文发表后，各国的学者来信索要论文复印件。国际陨石学会、国际月球和行星科学大会期间，不少学者与我交谈，提出“你们的工作很系统，数据还不错，证明你们的微粒、微量分析测试水平提高很快。”“你们根据数据能确定是70017-291，太难了！。”“你们对70017的化学成分、矿物成分、表面结构、形成环境等补充了许多重要的新资料，谢谢你们做出的贡献。”

　　记者：看来美国的登月不是好莱坞的大片制作？(笑)

　　欧阳自远：当然不是。美国人自己写了一本书，自己怀疑自己。一些不严肃的科学家举的例子似是而非。最有名的论据就是“国旗晃动”。月球没有大气层，属于超高真空环境，因而没有介质传播声音和传导温度，月球上听不到任何声响，温差极大。由于月球表面没有大气，在月球表面振动的物体没有阻尼，能保持长时间振动。美国的国旗杆子被宇航员插到月球表面，因为使劲插，手一松，杆子晃了较长时间，杆子在动，美国国旗子似乎在飘，好像是风吹的一样，就这么一个道理，这反而证明了的确是在月球。

　　月球的天空本来该是漆黑的，星星会特别明亮，但“阿波罗”发回的所有照片没有星星。这个也很好解释。因为拍摄的时候月亮表面是白天，在正130度的高温下，在强烈的阳光下，那时候的相机，用胶片拍，绝对拍不下来漆黑天空中的星星。

　　还有影子的长短问题，两人的影子一短一长，角度还不一样。为什么？影子的长短和地形有关。月球表面坑洼不平，影子也可能洼进去了，没有什么可奇怪的。

　　记者：2003年度您曾经荣获贵州省最高科学技术奖，并获得了50万元奖金，而您将其中的20万元作为中国科学院地球化学研究所月球与行星化学中心科研经费，30万元资助给了贵州省喀斯特生态科技研究。当时您是出于一个什么样的考虑？

　　欧阳自远：我们没有更高的消费，我曾经说过，你要看电视，也不会买十台电视机，何况我几乎不看电视。奖给我的钱，我觉得是多余的。贵州是我国最贫困的省份，最严重的问题就是喀斯特地貌和石漠化，自然生态环境非常脆弱和恶劣，到处都是石灰石。石漠化就是不长草，全是石头，光秃秃的，种什么都不活，是石头组成的“沙漠”。贵州70%以上都是喀斯特地貌，治理石漠化，这是解决脱贫致富和建设小康社会的一个大问题。既然给我钱，我想为治理石漠化，改善贵州自然生态环境出一点力，另外拿一部分给月球研究做点基础性工作，这不更好吗？

　　记者：作为中国探月工程首席科学家，您有哪些具体责任？从个人角度来看，你最大的感受是什么？

　　欧阳自远：他们叫三个“老头”领导(笑)。一个是栾恩杰，我们的总指挥，肩负重大使命，调动千军万马，组织战役，发号施令，夺取胜利。一个是孙家栋院士，我们的总设计师，两弹一星元勋，负责工程和技术的实现，任务艰巨，难关太多，在他面前没有攻克不了的难关，没有克服不了的困难，没有逾越不了的障碍。我是个新兵，负责提出为什么要探测月球？探测什么科学目标？科学探测数据下来后，我要组织全国的力量来研究，得到一些科学上的认识。我们的分工大致就是这样的。

　　月球探测这项工作的推动是很艰难的。月球那么荒凉，地球上的事情都干不完，折腾这个事情干什么？经过了35年的调查研究，10年的艰难论证，上上下下，军方、民方、领导、院士和各专业的专家等等都要答辩通过。我之所以做这么多科普报告，就是想让中国理解。月球探测很有意义，而且花钱不多，我再三说，不是天文数字，14亿人民币，实现首次月球探测够了。我最大的希望就是这项工作能得到公众的理解和支持，把它变成大家的一个思路，一次行动，只有这样，我觉得才能把它做好。我说的公众，包括所有领导，干部，院士，老百姓，大学生，中学生，小学生，大家要理解这个事情，这是值得干的，需要干的，而且这是对中国有很大推动力的，这样我就心满意足了。

　　另外我最大的感触之一是，(嫦娥工程)给了我一次重新学习的好机会。我原来是做了不少关于地球以外的研究，但没搞过工程。难得有这样一个机会，我真的像个小学生，一步一步地学，增长自己的知识和能力。同时我也更理解了我们国家下一步该怎么走。总要有人来做这件事情，所以我努力去做，并把自己的本职工作做好，要做好就要学习好，所以我说这是一个难得的受教育的机会。

　　记者：非常感谢欧阳老师今天能接受我们的联合专访，最后请您给《航天员》《中国国家天文》两大科普杂志寄语留念。

　　欧阳自远：我认为一定要让公众得到更多的理解，让公众获得知识，让公众提高素质，我觉得我们的《航天员》和《中国国家天文》都肩负着非常重要的使命，而这个使命，不是我们搞科研的写几篇文章可以做到的，她会产生巨大的推动力，她会让我们的民族精神焕发，她会使我们民族的素质得到提高，所以我非常尊重，非常赞赏科普杂志在中国的出现并在中国发挥作用。这对我国的经济，对科学技术，对公民的人文精神、公民素质都有所提高，这都是极其宝贵的。

　　我觉得做科普是光荣的，有意义的。办好科普杂志，她的作用不是一般人能想象的，潜移默化，润物无声，她能推动很多人去热爱科学、热爱生活。所以，这个事情，太好了，我是很支持的！

　　撰文/陈钦丽、龚东

　　供图/《中国国家天文》杂志、刘宁、刘合群、NASA