欧阳自远：月球探测的进展与我国的月球探测

欧阳自远：月球探测的进展与我国的月球探测

欧阳自远

（中国月球探测首席科学家）

人类的航天活动大致分为三个方面。

（一） 卫星的应用

现在人类共发射了五千多个航天器，如气象卫星、通讯卫星、资源卫星等等，中国大概占有1%的份额。现在所发射的卫星中70％是军事卫星，另外，在资源勘察、气象和灾害预报、全球通讯广播电视、导航定位等领域已得到广泛应用。所以航天科技的发展已经渗透到经济和社会生活的各个方面，大大提高了我们的生活质量，并有力地推动了相关产业的快速发展。

（二） 载人航天

现在共有950多人次已经进入过太空，2003年杨利伟成为中国第一位进入太空的宇航员，这是我国航天事业取得的重大胜利。美国、俄罗斯、日本等16个国家将联合起来，到2010年建成国际空间站，在其中进行生命科学、空间科学、航天医学、微重力加工、商业产品开发等一系列的基础科学和应用开发研究。

（三） 深空探测

指的是脱离地球引力场，进入太阳系空间和宇宙空间的探测。深空探测的目标是以太阳系空间为主，为人类社会的可持续发展服务。 深空探测是在卫星应用和载人航天取得重大成就的基础上，向更广阔的太阳系空间进行的探索，是人类社会的物质和精神文明发展的需要，是科学技术进步的必然趋势。目前的深空探测主要集中在四个重点领域。

一是月球探测。这是深空探测的门槛，因为月球是离我们最近的天体，月球可以作为对地监测基地、科学研究基地、新的军事平台以及深空探测的前哨站和转运站。现在正在评估月球的资源和能源的开发利用前景，也许地球将来要靠月球的支撑，才能长期、稳定、健康地发展下去。

二是火星探测。火星是一个类似地球的行星，可以和地球进行对比研究。当前，火星探测的主要目的不是寻找火星上是否存在生命，因为已经知道火星表面现在是没有水体和生命的活动，因此其最高目标在于探测过去是否存在水体和生命活动的信息，探索生命起源、行星形成和太阳系起源与演化。当然现在找到了很多水体存在的间接证据，但是仍然不知道什么时候有过水，更不知道是否有过生命。所以火星探测还有很漫长的道路。

三是巨行星的卫星探测。这些巨行星的卫星一般相当于地球大小，现在所选择的几个探测对象也是探测水体和是否可能发育过生命；探索生命起源和太阳系的起源与演化。

四是小行星与彗星的探测。小行星与彗星是组成太阳系的原始物质，对它们的探测在于探索太阳系的起源与演化，研究防止小天体撞击地球的方案以及它们可能的开发利用前景。

因此，21世纪将是人类全面探测太阳系的新世纪，并为人类社会可持续发展服务的新时代。

一、月球探测的历程与探测成果

自古以来，人们就对月球寄予了真情期望的遐想和充满诗意的赞美。当一轮皎洁如玉的明月挂在夜空，人们只能靠肉眼观测月球并寄托自己的想像。直到16世纪望远镜发明以后，人类才能够用望远镜观察月球，但观测的空间分辨率大于10km，人们发现月球上有高山和广阔的平原并布满了环形山。

真正对月球的了解是在20世纪50年代以后，月球探测进入空间探测阶段。月球是离地球最近的天体，亮度也仅次于太阳，历来是人类天文活动的首选目标，自然也是人类走出地球摇篮，迈向浩瀚宇宙的第一步。1959～1972年，美国和前苏联成功地发射了45个对月球的各种探测器。前苏联的“月球号”拍摄了月球背面的照片，把月球的整个面貌展现在人们面前。1969年，阿波罗11号实现了人类的梦想，人类的足迹第一次踏上了月球，人们才了解到月球的真实面貌。

（一） 第一次探月高潮（1959 ~ 1976年）

1. 第一次探月高潮概况

在冷战背景下，美国和前苏联展开了以月球探测为中心的空间竞赛，掀起了第一次月球探测高潮。自1958 ~ 1976年，美国和前苏联共发射83个月球探测器，成功45个，成功率为55.5%。1969年7月美国阿波罗11号飞船实现了人类首次登月，相继阿波罗12、14、15、16、17和前苏联的月球号16、20和24进行了载人和不载人登月取样，共获得了382kg的月球样品和难以计数的科学数据。月球探测取得了划时代的成就。

月球探测是人类进行太阳系探测的历史性开端，大大促进了人类对月球、地球和太阳系的认识，带动了一系列基础科学的创新，促进了一系列应用科学的新发展。月球探测，尤其是载人登月是人类迈出地球摇篮的第一步，是整个人类历史进程的里程碑。人类在宇宙空间展示的智慧创举、超强能力和攀登精神，是人类开拓进取、求实创新的光辉范例，增强了人类探索宇宙、建设好地球家园的信心。月球探测成为人类历史和科学技术发展史上划时代的标志性事件。

第一次月球探测高潮的最主要推动力是冷战和空间霸权争夺的政治需求。美国与前苏联正是通过月球探测，建立和完善了庞大的航天工业和技术体系；有力地带动和促进了一系列科学技术的快速发展；月球探测技术在军事和民用领域得到延伸、推广和二次开发，形成了一大批高科技工业群体，包括微电子，计算机，遥感、遥测与遥控，微波雷达，红外与激光，超低温、超高温和超高真空技术以及冶金，化工，机械，电子视听声像和信息传递等，产生了显著的社会经济效益。据不完全统计，从阿波罗计划派生出了大约3000多种应用技术“成果”。在登月后的短短几年内，这些应用技术就取得了巨大的效益——在登月计划中每投入1美元就可获得4～5美元的产出。

2. 第一次探月高潮取得的成果

人类通过对月球的探测，获得了极其丰富的数据，对月球的形状、大小、轨道参数、近月空间环境、月表结构与特征、月球的岩石类型与化学组成、月球的资源与能源、月球的内部结构与演化历史等的研究取得了一系列突破性进展，对月球的起源和地月系统的相互作用与影响获得了新的认识，主要表现在以下几个方面：

（1）精确测定了月球的形状、大小和运行轨道。月球是一个南北极稍扁、赤道处略有膨胀的圆球体，极半径比赤道半径短约500m。月球的平均直径为3476km，相当于地球直径的27%；质量为7.35×1022 kg，约为地球的1/81；体积只有地球的1/49。月球的表面积约为3800万km2，只有地球表面积的1/14，大约相当于中国陆地面积的4倍；月球的平均密度为3.34g/cm3，比地球的平均密度（5.52g/cm3）小得多；月球表面的引力也只有地球表面的1/6。月球围绕着地球以椭圆形轨道运动，其远地点为406700km，近地点为356400km，与地球的平均距离为384403km，大约相当于地球赤道长度的10倍。

（2）月球表面基本上没有大气，表面气压仅为10-14大气压量级。由于没有大气的热传导，月表平均温度为107（白昼）～-153℃（夜晚），向阳面与背阳面的温度为120～-150℃，夜晚和太阳不能照射到的阴影区的温度仅为-160～－180℃，最低与最高温度-180 ～130 ℃，所以温差可以达到300℃以上。

火星有非常稀薄的大气，火星表面平均温度为-33℃，日温差＞100℃，夏季温度达到17～22℃,冬季为-123～-133℃。火星表面温度及气压快速波动，在几分钟内地表温度变化可达20℃，气压变化也同样明显。所以火星也是一个比较严酷的、不利于生存的环境。

总之，月球表面是超高真空，而火星表面有非常稀薄的大气，相当于地球表面40km高度的大气密度。所以说天体表面的气体密度决定于它的质量，行星的质量愈小，对气体的吸引力愈小，行星大气层愈稀薄。

（3）尽管月球现在没有明显的磁场存在，但月球的岩石有极微弱的剩磁，磁化强度约（2～4）×10-6电磁单位/g，这表明月球可能曾经有过较弱的磁场。磁场的产生是由于在天体内部有带电流体的流动，而月球里面根本没有带电流体的流动，所以就没有磁场产生。因此可以推断月球在31亿年前磁场就消失了，那时月球内部就固化了，也就是说月球现在其实是绕着地球旋转的一块大石头，早就终结了月球本身的生命。

火星的磁场不像地球有非常漂亮的南北极，是一大堆小磁场，即多极子弱磁场，火星接近于老年了，能量接近衰竭。所以行星有起源、演化和衰亡的过程。行星质量愈小，内部愈早固化，愈早终结演化，行星磁场的演化趋势为：偶极子磁场—多极子弱磁场—无磁场。行星的衰亡是指内部的衰竭，而不是指表面，比如地球表面的生机勃勃是由太阳控制的。地球终究有一日会走到生命的终结，更为宁静地死去，没有地震，没有火山，本体衰竭，地球会更安静，但是表面也许会更繁荣。

（4）月球表面的主要地形单元为月海盆地、月陆和撞击坑。月海是指地形相对低洼的大型盆地，月球正面的月海约占正面面积的一半，背面月海分布极少。据统计，月面上直径大于1000m的环形构造总数在33000个以上，总面积约占月球表面积的7%~10%。月面上直径大于1m的月坑总数可达3万亿个。这些月坑实际上是小天体撞击出来的坑。月球挡住了很多小天体砸向地球，自己被砸得千疮百孔，为保卫地球起了很重要的作用。撞击作用导致大量岩石碎块溅射并堆积在盆地周围，形成围绕月海盆地的山系。月陆也称高地，是月面最古老的地形单元，高地物质大部分是富含斜长石的深成岩。

（5）月球表面由岩石碎屑和尘埃组成的风化层（月壤）所覆盖，它是在月球地质历史时期由无数陨石撞击所形成。由于月壤长期接受太阳-宇宙线的辐射，因而储存了独特的太阳辐射历史，完整地记录了40亿年太阳活动的历史，这对了解地球上气候的变化是非常重要的。

月壤一般厚5～10m，明显地富集由太阳辐射注入的挥发性化学元素和同位素，如H、He、N、C等，初步估算全月球月壤中3He的资源量可达100万～500万t。3He是人类未来可长期使用、清洁、安全而廉价的可控核聚变燃料，其他副产品如氢、氮、二氧化碳等也将是月球基地生命保障体系的重要资源。

（6）月球表面没有水体，月球的地质演化历史中也没有或只有极微量的水参与。月球的永久阴影区可能存在水冰。

月球南北两极的月壤中确实存在水冰。它们是彗星撞击后残留下来的，并在月坑的永久阴影区中得以长期保存。月球表面总共大约有66亿t水冰，但我们认为毫无价值，并没有给人们带来任何乐观的前景，并不是说以后登月可以不带水了，因为水冰收集和加工的代价太大。

现在大家最关心的是火星上有没有水。现在能找到很多证据，证明火星上曾经存在过水体，但是现在水到哪儿去了？什么时候有水的活动？这些都不知道，因为要把火星上的石头带到地球上才能测出什么时候有过水的活动，然后再来推测那个时候火星上有没有生命。木卫二、木卫三、土卫六可能有地下海。因此要找到生命存在的痕迹大概只有火星和这几个小卫星，太阳系的其他地方不可能有生命存在。

（7）月球上没有生命，没有活动的有机体、化石或有机体固有的有机化合物。 大量的测试表明所有月球样品中没有生命存在的证据，它不含有活动的有机体，或它本身固有的有机化合物。有一块石头引起了全世界的争论，这块石头是1984年在南极找到的，是从火星上掉下来的一块石头，石头里有一些奇怪的小虫子形状的“化石”，美国宣布是细菌化石，因此说火星上曾经发育过细菌，曾经存在过生命。这是36亿年前的石头，也就是说假如36亿年前火星上有生命，它的生命的水平是细菌。那时地球的生命水平也是细菌，也可以说那时地球上的细菌一直发展到现在生机勃勃的生物圈和人类。火星上为什么生命得不到繁衍？火星上生命起源的环境与过程是怎样的？是火星的生命带给了地球还是地球的生命带给了火星？或者地球和火星各自产生过生命？这些问题仍是未解之谜。

（8） 月球和地球在成因上是相互联系的，它们都是由相同的物质“原料”（元素）以不同的比例“混合”形成的。虽然组成月球和地球的化学元素相同，但月球更富含难熔元素，强烈地亏损铁和挥发性元素。所有的月球岩石都是通过高温的内生过程（岩浆或火山作用）形成的。月岩可粗略地分为三类：玄武岩、斜长岩和角砾岩。

在月岩中已发现100多种矿物，其中绝大多数矿物的成分和结构与地球的矿物相同，只有静海石等5种矿物在地球上未发现过。月球矿物普遍不含水，矿物中的变价元素多为低价元素，如Fe多为0价或2价铁，表明月球矿物是在缺水和还原的条件下形成的。

（9） 月球有一个厚的月壳（60km），一个相当均一的岩石圈（60～1000km深度）和一个部分液化的岩流圈（1000～1740km深度），在岩流圈的底部可能存在一个小的铁核或硫化铁核，但其存在与否尚未得到证实。

（10）月球在总体形态上有轻微的不对称现象，这可能是地球重力影响的结果，月壳在月球背面较厚，而大部分火山熔岩充填的大型月海盆地和质量瘤多存在于月球正面。在月球的内部，质量并不是均匀分布的，大的质量密集区（“质量瘤”）位于许多大型月海盆地的表面之下。

（11）现在的月球是一个古老的、“僵死”的星体。月球的内部能量已近于衰竭，表面热流仅为2μW/cm2，内部的地温梯度也很小，月震释放的能量小于106J/h，每年月震释放的能量仅相当于地震的1亿分之一。自31亿年以来，月球没有发生过显著的火山活动和构造运动，因此，月球的“地质时钟”停滞在31亿年之前，至今仍保留了其早期形成时的历史状况。

月球在46亿年前形成，和地球是同龄，所有太阳系的天体都是那个时候形成的。月球的主要内部能量已于31亿年以前释放殆尽。地球还要有45亿年的生命，那个时候将是什么景象？现在的月球给了我们一个示范，那时的地球的内部就像现在的月球一样。当然太阳的生命将更长，地球的表面仍然是很繁荣的，这跟地球内部的能源没有太大关系。

（12） 根据对月球各类岩石的成分、结构与形成年龄的研究，月球演化历史的重大事件可归纳为以下几个阶段：① 月球的形成年龄约45.6亿年；② 月球形成后曾发生过较大规模的岩浆洋事件，通过岩浆的熔离过程和内部物质调整，于41亿年前形成了斜长岩月壳、月幔和月核；③ 在40亿～39亿年前，月球曾遭受到小天体的剧烈撞击，形成广泛分布的月海盆地，称为雨海事件；④ 月海泛滥事件，在39亿～31.5亿年前，月球发生过多次剧烈的玄武岩喷发事件，大量玄武岩充填了月海，厚度达0.5～2.5km；⑤ 31.5亿年以来，月球内部的能源逐渐枯竭，再也没有发生大规模的岩浆火山活动与月震，但小天体的撞击仍然不断发生，形成具有辐射纹及重叠的撞击坑，使月面斑驳陆离、千疮百孔。

（13）月球起源的理论主要有四种假说：① 捕获说；②共振潮汐分裂说；③双星说；④大碰撞分裂说。近年来，“大碰撞分裂说”获得了大量的证据并得到了大多数学者的支持。

总之，现在的月球是一个古老的、“僵死”的星体。月球的内部能量已近于衰竭，月震和表面热流均极小。月球的“地质时钟”停滞在31亿年之前，这对研究地球早期演化历史具有重要意义。火星是一个老态龙钟接近死亡的天体，而地球仍然是生机勃勃的、壮年期的天体。这也和质量有关，质量越大，内部储存的能量及产生的能量也越多，所以维持的生命更长。这跟恒星相反，恒星是质量越大生命越短。

（二）月球探测宁静期（1976~1994年）

自1976年以来，延续约18年没有进行过任何成功的月球探测活动，其原因可能是：随着冷战形势的缓和，随后前苏联的解体，空间霸权的争夺有所缓解；需要总结探测活动耗资大、效率低、探测水平不高的经验与教训，提出新的探测思路和战略；以月球探测获得的技术为基础，将月球探测技术向各领域转化、推广和应用，完善航天技术系统，研制新的空间探测技术，如往返运输系统、高效探测仪器等，为进一步开发利用外星资源进行科学和技术准备；需要较长时间进行探测资料的消化、分析与综合，将月球科学研究提高到更高理性认识的阶段。

（三） 重返月球

1. 重返月球进展概况

1986年，空间探测技术和月球科学研究达到了新的阶段，对月球进行科学的、“理性”的探测时机已经成熟，美国航空航天局（NASA）开始构思重返月球的计划。1989年7月20日美国总统布什宣布：“在即将到来的10年里，我们努力的目标是自由号太空船；然后，在新的世纪，我们要重返月球，重返未来，而且这一次要呆下去”。“要呆下去”开发利用月球矿产资源、能源和特殊环境，建设月球基地，为人类社会的可持续发展服务，已成为新世纪月球探测的总体目标。

1994年和1998年，美国成功发射了“克莱门汀”和“月球勘探者号”月球探测器，对月球形貌、资源、水冰等进行了探测，标志着“又快、又好、又省”空间探测战略的实施，奏响了人类重返月球、建立月球基地的序曲。

2004年1月14日，美国总统布什宣布了美国新的太空计划，其中提出2008年前开始发射无人探测器到月球，进行系统的月球探测；2020年前重新载人登月，在月球上长期居留；以月球为跳板，2030年把宇航员送上火星乃至更遥远的宇宙空间。各国的评论一致认为，美国新太空计划的目标是控制能源、军事优先。欧空局根据美国新的重返月球计划，迅速调整月球探测计划，2020～2025年实施载人登月，在月球上长期居留，2035年把宇航员送上火星。

重返月球首先是在现有技术条件下，以月球资源、能源、特殊环境和利用月球走向深空探测为目标，重新对月球进行全球性、综合性和整体性的探测，进而载人登月，逐步开展深空探测。美国、欧空局、俄罗斯、日本、乌克兰、奥地利、英国、德国、巴西和印度等国家和组织都制定了相应的月球探测计划，并在积极实施中。

2. 重返月球和建立月球基地的原动力

（1）重返月球是社会发展的需求。重返月球，建立永久基地，是人类开发太空资源，拓展生存空间至关重要的第一步。通过这一系统工程，人类可以学会如何“离开地球家园”，建立像南极类型的永久研究站，在地球以外空间生产产品和发展工业，建设能够自给自足的地外家园。

（2）重返月球是科学和技术发展的需求。20世纪60~70年代的探月工程证实，空间探测是一个具有极高产出率的项目，它实现的真正价值往往远远高于工程本身。月球探测可以成为科学和技术的“孵化器”。

（3）重返月球是空间科学技术发展的需求。重返月球是空间探测发展的必然，月球将是人类长期进行深空探测的前哨站和转运站，随着技术的不断成熟，可以在月球基地上建设空间加“油”站和发射场。月球是一个庞大的“太空实验室”，可开展一系列天文学、空间科学、近代物理学、生物工程学等的研究，研制和生产一系列特殊生物制品和特殊材料。

（4）重返月球是空间军事活动发展的需求。月球将被用作空间新概念武器平台和对地球监视的基地，是实现制“天”权的重要步骤。

（5）月球蕴藏有丰富的矿产资源和能源，可为人类社会可持续发展提供资源储备，这一因素是重返月球最主要的原动力。