上世紀六七十年代的阿波羅登月計劃，是人類最偉大的探索之一。如今距離阿波羅11號探測任務(wù)首次實現(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)院國家天文臺李春來研究員等面對中國探月工程的現(xiàn)狀和未來，著重闡述了已實施四次月球探測任務(wù)所取得的成就、規(guī)劃中四次探測任務(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。本文對該論文的具體內(nèi)容進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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從嫦娥一號到嫦娥四號，加上嫦娥五號再入返回試驗任務(wù)，我國“嫦娥”工程五戰(zhàn)五捷，其中今年1月3日發(fā)射的嫦娥四號探測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，實現(xiàn)了“個人一小步，人類一大步”的偉大壯舉，嫦娥四號著陸器和巡視器“玉兔2號”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的新篇章。
嫦娥四號著陸區(qū)及其地理名稱三維景觀圖。2019年2月4日，IAU批準(zhǔn)命名嫦娥四號著陸區(qū)附近5項地理實體名稱，其中嫦娥四號著陸點被命名為'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
嫦娥四號是中國月球探測計劃“嫦娥工程”中的一項任務(wù)。2003年，中國制定了“繞、落、回”三期月球探測任務(wù)，命名為“嫦娥工程”，即2004-2020年期間通過環(huán)月探測對月球進行全球性、綜合性和整體性的認識；通過著陸器和月球車在月面軟著陸，開展“巡天、觀地與測月”工作；通過月面軟著陸器進行鉆孔巖心取樣和鏟取月壤樣品并返回地球，對月球重點區(qū)域進行精細勘察。
2019年1月3日，嫦娥四號著陸器著陸在月球背面馮·卡門坑內(nèi)，圖片由“玉兔二號”月球車攜帶的全景相機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，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，這個時期月球探測的總體目標(biāo)被定位為具備月球探測技術(shù)能力，主要以空間技術(shù)為主，兼顧月球科學(xué)，通過工程實施奠定技術(shù)基礎(chǔ)，實現(xiàn)科學(xué)探測。
經(jīng)過嫦娥一號、二號、三號和四號任務(wù)的成功執(zhí)行，中國在軌道設(shè)計、飛行控制、高精度測控、月面軟著陸和巡視探測等眾多空間技術(shù)上取得了長足的進步和發(fā)展，為后續(xù)實施技術(shù)難度更大、復(fù)雜度更高的月球探測任務(wù)奠定了堅實的基礎(chǔ)。
與此同時，已開展的月球探測任務(wù)在科學(xué)成果上也取得了豐碩的成果。通過嫦娥一號和嫦娥二號的環(huán)月探測，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)和證實了月表微磁層的存在及其分布，并實現(xiàn)了世界首次對圖塔蒂斯小行星的探測。
嫦娥一號及嫦娥二號部分代表性成果 圖片由地面應(yīng)用系統(tǒng)制作提供
利用嫦娥三號著陸區(qū)探測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)一種新類型的月球玄武巖，探測了著陸區(qū)淺層結(jié)構(gòu)特性，在月面觀測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測數(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，月球背面獨特的電磁環(huán)境是開展低頻射電天文觀測與研究的絕佳地點，嫦娥四號將可能獲得太陽活動產(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的新發(fā)現(xiàn)。
（a)嫦娥四號著陸區(qū)馮·卡門坑附近影像圖；（b）“玉兔二號”月球車巡視路線圖；(c，d) 嫦娥四號地形地貌相機拍攝的VNIS在探測點A和S1處進行光譜探測 圖片來自Li et al., Nature 569,378-382(2019).
2019年年底，中國將實施嫦娥五號任務(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，將對月球地層定年、火山活動及熱力學(xué)演化等科學(xué)問題開展研究。中國月球探測獲取的科學(xué)成果為人類進一步深化人類對月球重要科學(xué)問題的認知做出了貢獻，也推進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。盡管人類已開展了100多次月球探測任務(wù)，21世紀以來歐空局Smart-1，日本Selene，印度Chandrayaan-1，美國LRO、Grail、LADEE，以及中國的嫦娥一號至嫦娥四號先后開展了多次月球探測，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。
歐陽自遠院士：21世紀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，在更大的時空尺度整體性認識地球，將會更深刻地揭示地球的形成與演化規(guī)律 圖片由歐陽自遠院士提供
2005年，中國探月工程首任首席科學(xué)家歐陽自遠研究提出了月球科學(xué)的14個關(guān)鍵問題：（1）月球大氣層的成分及其來源、大氣組分的運動規(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)計月球探測發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃的藍圖，為中國月球探測的科學(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《推進月球科學(xué)》報告，更新完善了月球探索的11個核心科學(xué)概念，以及針對這11個科學(xué)概念的研究建議。
2018年美國月球和行星研究所發(fā)布《推進月球科學(xué)》報告 圖片來自網(wǎng)絡(luò)
在中國探索月球的過程中，還有一個關(guān)于1克阿波羅月球巖石的故事。1969年阿波羅11號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又相繼實施了阿波羅12~17號載人登月任務(wù)，其中除13號失敗，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，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)交到了歐陽自遠的手上，要求鑒定是不是月球的巖石。歐陽自遠組織全國力量，發(fā)揮各自優(yōu)勢，利用國內(nèi)已有的各類分析測試儀器對其中的0.5克樣品進行了全面分析，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號巖石樣品。當(dāng)時美國同行評價：中國隕石研究已經(jīng)達到世界水平。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)研究所實驗室內(nèi)，歐陽自遠砸開嵌在有機玻璃內(nèi)的阿波羅-17巖石樣品，嵌在有機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 圖片由歐陽自遠院士提供
1993年，歐陽自遠院士帶領(lǐng)科研團隊分別開展了國家“863計劃”——“中國開展月球探測的必要性與可行性研究”“中國開展月球探測的發(fā)展戰(zhàn)略與長遠規(guī)劃”和“中國首次月球探測的科學(xué)目標(biāo)、技術(shù)總要求和實施方案”的論證，研究報告中提出中國的無人月球探測劃分為三期實施，即“繞月探測”“落月探測”和“取樣返回”。中國科學(xué)院、863專家委員會分別組織了各領(lǐng)域相關(guān)專家評審，得到了各個專家委員會的贊同和強烈支持。
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為主的深空探測研究。2003年，國防科工委預(yù)啟動了中國首次月球探測工程，任命了欒恩杰院士為中國月球探測工程總指揮、孫家棟院士為總設(shè)計師和歐陽自遠院士為科學(xué)應(yīng)用首席科學(xué)家。2004年，國務(wù)院批準(zhǔn)繞月探測工程立項，中國正式開展月球探測工程，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月球的歷史舞臺，拉開了開創(chuàng)航天強國的序幕。
建立月球基地不是夢
繼嫦娥工程“繞、落、回”三期任務(wù)的啟動與實施之后，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；“用”，開采可利用資源技術(shù)驗證。
總體科學(xué)目標(biāo)將包括：（1）探測水和揮發(fā)性組分的全月面分布、含量及來源；（2）探測月球深部物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)；（3）測定月球南極-艾特肯盆地的年齡；（4）探測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；（2）月基對地觀測與研究；（3）月面生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)試驗等等。
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)開展嫦娥六號月球樣品自動采樣返回，嫦娥七號月球極區(qū)環(huán)境與資源綜合勘查、嫦娥八號驗證月面“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、科研試驗和資源利用技術(shù)驗證的綜合功能月球機器人科研站，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著陸、陰影坑飛躍探測、適應(yīng)極區(qū)惡劣環(huán)境的智能機器人、大承載著陸、智能機器人協(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、長時段工作、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)月球探測將繼續(xù)朝著機器人探測和載人探測兩個方向發(fā)展。出于技術(shù)跨度、 火箭選型、 經(jīng)濟可承受性、效費比等方面因素考慮，機器人探測將成為后續(xù)月球探測任務(wù)的首要發(fā)展方向，通過深化月球科學(xué)探測并驗證資源開發(fā)與利用、生物再生生命保障等技術(shù)，最終實現(xiàn)機器人長期駐留工作、 短期可容納宇航員造訪的月球基地。
在未來條件成熟時，將向載人探測方向的發(fā)展, 實現(xiàn)載人登月, 最終實現(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)
攜手國際社會同探月
中國在堅持關(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)同國際社會攜手共同探索月球，國際化合作是中國月球與深空探測發(fā)展戰(zhàn)略的一個重要趨勢。在嫦娥四號任務(wù)中，中國向國際社會開放載荷資源并提供搭載平臺，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儀，中性原子分析儀和低頻射電探測儀，并與這些國家在科學(xué)載荷研制、科學(xué)探測規(guī)劃、探測數(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任務(wù)。
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