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美苏航天那么强,为什么月背让中国捷足先登

2019年1月12日 15:22 文章来源: 互联网   浏览0次 已有评论(0)

作者:张亦驰

1月3日上午,中国嫦娥四号月球探测器成功软着陆在月球背面,并通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图。这次落月,使得中国成为世界上第一个在月球背面软着陆探测器的国家。人们或许会问,美、俄的航天技术都很强,为什么这个第一让中国夺得了。实际上,美苏也先后开展过大规模的探月活动,给月背拍过照片,也硬着陆过。甚至在阿波罗计划的后期,打算在月球背面软着陆,但由于种种原因,没有实现月球背面的软着陆。

月球背面一支吸引着认为。图为美国月球勘测轨道器拍摄的月背。

上世纪五六十年代是航天业大发展的年代。可以说,那时候航天技术的强大,代表者一个国家甚至一种制度的强大与优越,美苏无不投巨资展开风险巨大的航天活动。

其实,美国人在探月方面最初并不落后,只不过运气没在美国人这边。五十年代末,美国人的探月火箭总是先发射。与此同时,苏联的探月火箭也会部署在发射台上。科罗廖夫会等待美国人的消息,如果最初的发射成功了,苏联也会发射火箭,如果成功,他会以一个更快的轨道首先抵达月球。如果美国的火箭失败了,则苏联人就会退下火箭,继续完善它的设计。之所以这样搞,是因为科罗廖夫对自己的火箭没底。在双方经历了次失败之后,苏联终于完成了探测器的近月飞行和撞击月球,紧接就着手拍摄月背影像了。

苏联的月球3号首次完成月球背面的拍摄任务。

1959年10月7日,莫斯科时间6时30分,位于月球背面上空的月球3号探测器的摄像系统投入工作,在40分钟时间内,它用两个镜头拍摄了29张月球背面照片。当天,第一张照片就通过无线电系统传回了地球,但除了显示月球是圆的以外,看不出任何细节。

在后来的传送中,为了降低无线电噪音,提高接受信号强度,苏联在黑海实行了无线电静默管制措施。终于在第5次尝试时,信号得到极大改善,29张照片中17张可以使用,这些照片覆盖了月球背面70%的面积。这些照片显示,月球背面布满了火山坑,甚至比近地面更多。

月球3号于1959年10月4日发射,是苏联发射的第3颗月球探测器。第一颗被为苏联的第一艘宇宙飞船,因为它达到了第二宇宙速度,该探测器最后在距离月球5965千米处掠过,进入火星和地球之间的太阳轨道,它算是人类探月活动的伟大开端;第二艘“宇宙飞船”实现了撞击月球。第三颗也就是实现月背拍照的月球探测器最初被称为“自动星际站”,型号为Ye-2a,专为拍摄月球背面研制。直到1963年,这些探测器才被重新以“月球”系列命名。

月球3号安装了一部双镜头(焦距分别为200毫米和500毫米)相机,探测器上拥有底片冲洗装置,可对照片进行自动冲洗、卷收和烘干,并用阴极射线电视系统进行扫描。按照西方的报道,当时苏联还不能制造防辐射的胶片,防辐射胶片在探测器穿越辐射带并飞往月球的空间环境中经受住空间辐射而不会失效。当时美国的一种高空侦察气球经常从欧洲飞到苏联领空进行侦察,它使用的胶片是防辐射的。于是苏联就收集了这些落在苏联领土上的气球中的照片,用于太空项目。

基于月球3号探测器的数据,苏联科学院于1960年发布了月球背面的地图集,并对其中能够分辨的500个地貌特征进行了命名。其中一个陨石坑直径约900公里,相当于英国的长度。

1965年7月18日,苏联发射了探测器3号探测器,它原本用来拍摄火星,但是错过了发射窗口,所以被用来为月球背面拍摄。它的照片质量更高,而且覆盖了月球3号未能覆盖的其余30%的月背面。它拍摄的照片显示,月球背面陨石坑密密麻麻。1967年,根据探测器3号的数据,莫斯科出版了“月背地图集”的第二部分,它包括4000个新发现的月背景观特征。同年,第一张完整的月球地图在苏联发布,它覆盖了95%的月球表面。苏联这两次对月球背面的拍摄,使得其能够命名月球的很多地方,但在冷战时期,这也引发很大争议。

阿波罗16号拍摄的月球背面。

其实在探月方面,美国人起步并不晚。最初的几次探月发射,美国都早于苏联,只不过都以失败告终。苏联获得了最初的成功极大刺激了美国,这加快了美国的探月计划,也很快迎来了成功。

1962年4月26日,美国国家航空航天局(NASA)的徘徊者4号探测器成为第一个撞击月球背面的太空探测器,但是它在撞击前未能发回任何科学数据。这是一次成功的撞击,但是徘徊者4号并不是一个成功的探测器。徘徊者4号航天器是20世纪60年代初NASA发射的用于探测月球的9个徘徊者系列探测器中的一个,原本用于收集行星际空间的数据,近距离拍摄月球并在月球表面进行硬着陆。然而由于它搭载的计算机出现故障,导致其太阳能电池板和导航系统未能展开和工作,徘徊者4号未能实现其科学探测的目标。

美国宇航局于1966年至1967年实施的无人月球轨道器计划进行了第一次真正全面、详细的月背地图绘制调查。这也是为了阿波罗计划的登陆选址。而对月背面的大部分绘制是由该系列的最后一个探测器月球轨道器5号提供。

而人类的双眼首次直接看到月球的背面,还是在1968年阿波罗8号任务期间。执行阿波罗8号任务的宇航员是弗兰克·博尔曼、吉姆·洛威尔与威廉·安德斯。他么于1968年12月21日发射升空,完成绕月飞行后于12月27日成功返回地球。宇航员威廉·安德斯这样描述了月球背面的景色:背面看起来像我的孩子们在上面玩了一段时间的沙堆。

从那之后,从阿波罗10号到阿波罗17号的所有任务组成员观察到了月球背面,并通过多个月球探测器拍摄到月球背面。当然也包括1969年历史性地登陆月球的阿波罗11号。而紧随阿波罗8号的波罗9号把研究重点重新放到了重要的登月舱近地轨道测试,并未关注月球背面。

地月系统的5个拉格朗日点。

显然,人类并不满足于仅仅是看到月球背面或者发射一个探测器撞击月球背面。天文学和科学界一直设想把射电天文望远镜和光学望远镜布置在月球背面。月球背面不仅可以免受来自地球的无线电干扰,还可以免受地球上耀眼的太阳光照射。这些望远镜可以安装在陨石坑内,将为人类提供一个前所未有的、不受干扰地深入观察宇宙深处的清晰视角。

在阿波罗计划的后期,已经有科学家开始考虑在月球背面软着陆了。阿波罗17号的任务组宇航员、地质学家哈里森·施密特就积极游说NASA,让他们着陆于月球背面的“齐奥尔科夫斯基”陨石坑。

但是,在月球背面降落面临着更大的风险。执行阿波罗16号任务的宇航员查理·杜克则这样描述月球背面:“我们与地球失去了联系,也没有信号……月球的背面非常崎岖。我可不想在月球背面着陆。”在月背航行的航天器不能与地球建立直接的无线电通信,如果宇航员在月球背面出了什么问题的话,他们就得不到地球的任何技术援助。“我们想要与地球保持联系,所以我们不能在月球的另一边着陆。”查理·杜克说。

在拉格朗日L2点附近部署一颗中继卫星,可以解决通信问题。

地面指挥中心同样感到紧张。当阿波罗8号宇宙飞船绕月球背面飞行时,它的对地信号中断了大约10分钟,它只能在人类从未去过的地方孤身奋战,而且这时候,服务舱的主发动机要点火。对于任务组人员和任务控制中心来说,失去联系的时间是一段非常令人担心的时间。当阿波罗8号绕过月球背面时,休斯顿任务控制中心飞行团队中的许多人都松了一口气。因此,要想在月球背面着陆,首先要解决通信问题。这就需要一颗中继通信卫星,来充当地球控制站和位于月背的飞船的二传手。

即便在当时,这在技术上也并不难解决。在地月系这样的两天体系统中,如果引入一个质量和体积与天体相比可以忽略不计的航天器,就可以找到5个可以使航天器受力平衡的点,也称5个拉格朗日点。如果将一颗卫星打到月球远端的拉格朗日L2点附近,可以通过轨道控制,以很小的代价让卫星围绕L2点旋转。如果这个轨道半径足够大,从地球看过去,绕L2点的轨道就像月球外面的光晕一样,所以被称为晕轨道。中国的“鹊桥”中继卫星实际上就位于这个轨道上。

施密特雄心勃勃的提议就包括一个基于当时已经存在的TIROS气象观测卫星研制的特殊通信卫星,将其发射到L2点周围的晕轨道上,以便在宇航员的动力下降和月球表面行动期间保持与宇航员的无线电接触。 另一种方案是使用一种当时为国防部建造的军事通信卫星。除了那些计划发射的该系列卫星之外,还有两个备份完成建造并被存储起来,以备在轨卫星发生故障的情况下进行替换。其中一个可能用于阿波罗17号。但是无论哪个方案,它需要改进,并且需要足够的钱。

最终NASA的规划者仍然以增加风险和缺乏资金为由拒绝了这些计划。当时阿波罗计划总共花费了240亿美元,1969年也就是美国登月的那一年,美国的国民生产总值为9300亿美元。更为关键的是,在载人登月计划上美国几乎是完胜苏联,已经实现了其政治意义,他们需要一个更保险的结局,哪怕有一点小小遗憾。同时,美国显然不想再把过多精力放在探月上,而是瞄准了更为广阔的深空。

苏联在登月计划上败给了美国,也想在新一轮深空探测中获取优势,月球就这样被忽略了。而到了九十年代,苏联解体,俄罗斯更没有精力重返月球背面了。

进入新世纪,NASA的月球勘测轨道飞行器再次飞向月球,精确地绘制出了月球近地面和背面的地图,为后续可能的登月计划奠定了基础。


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