LEDA登月器是一个直径4.1米,高度2米的扁形8面棱柱体,起飞质量约3330千克,到达月面时的质量约1007千克。该登月器将在月球的南极地区降落,以掌握月面软着陆技术和月面移动考察能力,考察月球南极地区的地形、地貌,为未来建立月球基地积累资料。该登月器的有效载荷质量小于200千克,主要是1辆微型月面巡视车及机械臂、土壤处理试验装置、月面环境监测仪器等。巡视车拟携带用于化学分析的α射线光谱计、γ射线光谱计、中子探测器、气体分析器、电容器、地面穿透雷达和取样系统,及用于环境测量的热探测器、辐射剂量监视器,用于摄影的全景相机系统、近摄成像仪。
为了填补欧洲在月球探测领域的空白,欧洲空间局于1995年10月提出了研制“环月观测器(MORO)”的方案。该探测器实际上是1颗月球极轨卫星,任务为观测月面,测量月貌和重力场,为研究月球的形成、演化和未来提供科学数据。
MORO将携带立体相机、紫外/可见光/红外绘图光谱计、γ射线光谱计、微波仪及1颗微型子卫星。
MORO呈扁圆柱形,直径2.9米,高度2.1米,总质量约1320千克(其中,有效载荷110千克,推进剂570千克),姿态采用自旋稳定。子卫星为直径0.4米、高度0.3米的圆柱体,质量9千克,稳定方式为纯自旋。
MORO计划于2003年发射,首先进入一条距月面高度200千米,倾角90。的圆形环月轨道。经过一段时间后再降低到100千米高度处释放子卫星。子卫星释放后,通过对母、子两颗卫星间的精密多普勒跟踪测量,以推算月球重力场数据。
日本的月球探测计划
日本的航天与宇宙科学研究所(ISAS)于1990年1月成功地发射了“飞天”号月球探测器,该探测器载有1颗名叫“羽衣”的子卫星(质量12千克)。在“飞天”号探测器飞到距月球最近处时,将“羽衣”号子卫星送入一条距月面高度约2000千米的圆轨道,成为日本的第一个月球轨道器。
ISAS正在进行日本的第一个月震探测器“月球一A”任务。“月球一A”探测器质量540千克,拟在经过一次借月球引力的机动飞行后,飞到距离月面只有40千米高度处时施放出3个各重13千克的穿插器。穿插器将插入月面20厘米深,用于探测月震和月面导热系数。随后,“月球一A”探测器上升到距离月面300千米的轨道。月震穿插器将对深层的月震探测1午,以了解月心的情况。
ISAS打算在“月球一A”探测器之后,发射1个月球着陆器,以进行科学探测。在月球着陆器之后,日本还拟发展月球车、月球采样返回航天器、月球观测台以及最终在月球上建立可供人居住的月球站。
俄罗斯的月球探测计划
俄罗斯的月球探测计划拟分3个阶段实施。第一阶段(到2001年)的主要任务是建立月球探测网,为此,将发射几个在环月轨道上运行的月球探测器,以全面测绘月球地图。第二阶段(201~2010年)将发射月球车、采集月球岩石标本,并将标本运回地球进行分析,以确定其中的矿物含量,确定矿藏所在地。第三阶段(2010年以后)将建立月球基地,研究月球采矿工艺。
建立月球基地
月球基地的重要作用
月球基地有多种含义,可以只是一个科研前哨站,也可能是一个功能齐全,能自给自足,拥有一定居民的工作和生活区。不论其含义的差异,就其实质和前景来讲,月球基地是人类生存和发展的新疆域,月球基地对推动科学进步,开发月球资源,促进天疆开发等方面具有重要作用。
(1)月球基地将推动科学进步
月球上的特殊环境和地貌,为推动科学进步提供了良好的条件。月球在三四十亿年前进入火山活动的后期阶段,随之即转入宁静阶段。在月球演变进入平静阶段后,月球内外引力作用与现今基本无异,月貌形态仅有缓慢的局部变化。与早期演化痕迹荡然无存,至今仍生机勃勃的地球不同,数十亿年寂静的月球可以为人类提供它形成时的环境、条件和年代等方面的信息。探索地球的天然卫星——月球的起源和演变,将有助于人类认识地球早期的历史。
生命起源和物种绝灭是人类极为关注的课题。有人猜测,早期地球上的生命可能起源于地球之外。至于恐龙绝种,有人认为这与1500万年以前1颗小行星(或许是1颗彗星)与地球相撞有关。那次对地球的强烈撞击,造成地面乃至整个稠密大气层内尘土飞扬,漫天的尘埃起到遮阳掩日的作用,致使植物无法生存,导致在当时数量上占优势、以植物为生的恐龙,因饥饿从地球上消失。与此相应,原始的哺乳动物(很可能是海洋中像鱼类那样的一类动物)得以生存、变异,最后进化成人类。研究古老的月球岩石和环形山,也许能为这些问题的解决提供重要的线索。
月球是一个巨大的稳定平台,又无大气包围,背面受不到地球无线电的干扰。因此,月球是进行天文物理学、引力波物理学和中微子物理学、“反物质”或“暗物质”实验和观测的有利场所。在那里,可以安装大型高分辨率和高灵敏度的天文仪器,对宇宙进行更细致、更有效的观察,或许还能发现地球之外存在文明的信息。月面夜间的温度很低,可以提高红外观测的水平。
月球表面处的引力加速度大约只有地球表面引力加速度的1/6,且月面有一个真空、无菌的环境。因此,月球是进行材料科学和生命科学研究的良好场所。月球上虽然没有生命,但可用来进行生物遗传工程、各种闭式生命保障系统和大尺度人造生物圈的试验研究。这些生命科学的研究课题,对于开拓天疆,建设天疆具有重大意义。
(2)利用月球基地开发月球资源
氧是月球土壤中含量最丰富的元素,是一项可资利用的月球资源。目前,已对从月球土壤中提取氧的方法进行过多种研究,诸如氟化学湿选法,钛铁矿的氢还原法以及电解法等。一旦在月球上制氧成功,并达到一定规模,那么就可以在那里解决6/7的推进剂供应问题(氢氧发动机,每燃烧1千克的氢,需6千克的氧),从而飞向或飞经月球的转运航天器就能在月球上补给氧。这将给天基航天活动(以太空为基地的航天活动,而现今的航天活动是以地球为基地的,即为地基航天活动)带来极大的方便。
最近的月球探测已证实月球两极地区存在冰。如果能确认这一探测结果,那就表明月球上存在水或其他挥发物。这样,不仅转运航天器氢氧发动机所需的推进剂全部可以从月球上获得补给,而且月球基地和其生物圈中所需要的水和氧气也无需依靠地球供应,可做到自给自足。
1985年,美国科学家通过对“阿波罗”登月活动中带回的月球岩石、土壤样品的分析,确认月球上存在氦的同位素——氦3。过去,人们只知道月球土壤,岩石中存在大量的硅、铁、铝、钛、钙和氧等元素,这些元素在地球上含量丰富。氦3则在地球上极为稀罕,且它是未来核聚变燃料的最佳选择。
就单位质量物质产生的能量来讲,核聚变反应释放的能量为核裂变反应释放能量的几百倍。而且,核聚变反应产生的放射性危险只有核裂变反应的万分之一。研究表明,虽然用氢的同位素——氘(原子量为2,原子核中有1个质子和1个中子)聚变可以成为氦,或用氢的两种同位素——氘和氚(原子量为3,原子核中有1个质子和2个中子)聚变也可以成为氦,但这两种聚变过程需要5亿℃的温度,很难实现。与此相反,利用氘和氦3(相对原子质量为3,原子核中有2个质子和个中子)聚变生成氦,不仅不释放出中子,且所需要的温度仅为目前实验室已达到的最高温度的2倍。因此,氘-氦3聚变是一种安全、干净、相对较易实现的可控核聚变。这种核聚变的试验装置正在设计中。一旦氘—氦3核电站能实现产业化,就完全可同核(裂变)电站和火力发电站相竞争。
在氘一氦3核电站的原料中,氘可以从电解重水(地球上贮量不少)来获得。但在地球上,氦是稀有气体,氦3在氦中的比例极小。但是,在月球土壤表层中含有由到达月面的太阳风中的仅粒子。(即氦核)所形成的氦3(在太阳风中,α粒子占7%)。据估计,整个月球表面按3米深度采掘,可提供70多万吨氦3。美国1987年全年的发电量如用氘-氦3聚变能发电,大约需25吨氦3。中国1993年全年的发电量(8200亿千瓦小时)若用氘-氦3聚变能发电,大约只需8吨氦3。然而,从月球上要获得这样多的氦3,采掘工作量极大。据估计,在氦3丰度大的月海(指月面上地势较低,且大多具有圆形和海岸线封闭的特点,四周有山脉环绕的广阔平原)表面,每1000立方米的土壤中只含1克的氦3,而月面高地上的氦3含量(丰度)只有月海中的1/2。因此,月球上的氦3为解决人类面临的能源危机提供了一个可能的途径。
利用月球上丰富的太阳能来发电,并把电能转换成微波能或激光能传到地面,再由地面转换成电能,也是有可能的。原理同在地球静止轨道上建造大型太阳能卫星相同。只要这种能量传递过程不影响地球生态系统的平衡,那么它们一旦实现,也会为解决人类的能源问题作出贡献。
另外,由于月球的引力小,故从月球运送物资(如推进剂等)到地球一月球空间之外去使用要比直接从地球运去来得经济。从月球向地球静止轨道运送物资所需消耗的能量,只有从地球向那里运送相同质量物资所需消耗能量的1/20弱。由此看来,从月球开采、生产并运送天基航天活动所需的物资是一项有潜力、效益高的事业。
月球基地将成为人类在其他星球上首先建立的一种可供多名航天员和科学家工作和生活的场所。这个基地将发展成为自给自足的生物圈,成为月基(以月球为基地的)航天活动的发射场和中转站,成为研究开发新科学、新技术的实验室。
破译神奇月球之谜
建立月球基地的步骤
(1)建站选址
这阶段工作可望在2005年前后完成,为此,将利用装有先进遥感器的月球轨道探测器和着陆器,对月球进行无人探测,并把月面样品送回地面。在这阶段中,将发射环月探测器,以绘制月面地貌地形图,进行地质化学分析及在月球极地寻找水源;还将根据环月探测器所获得的资料,初步选择可供建站的月面区域,并向那里发送自主工作的月球车,进行机器人探索和样品采集,以获得更多、更具体、更详实的信息,并最终确定站址。
站址的选择既要考虑月球表面的特点,又要顾及科学研究、资源开发和生活居住等方面的要求。例如,为便于进行光学和射电天文观察,站址宜选在能屏蔽地球对太阳光的反照(反射)和地球发射的无线电噪声的月球背面,并易于对探测设备进行维护的月面区域。为有效地开发资源,站址宜选择在开采价值高的月面区域。为便于创造自给自足的生物圈,宜把站址选择在存在水的月面区域。总之,站址需综合考虑多方面因素后权衡决定。
(2)建立前哨站
这阶段将以航天员继“阿波罗”登月活动后再次登上月球为起点,将建立一种以科学研究为主要任务,有人短期照料的月面开发阵地。这种前哨站可望在2015年前后在月球上出现。
为建立月面前哨站,需要把航天员和建站所需的科学仪器、试验装置、物资设备等送到月面,还要把航天员接回地球。在这阶段中,如果近地空间站能从“阿尔法”号国际空间站上升为一种具有加注、维护、修理等多功能的特大型天基航天基地,如果还有建造月球轨道(空问)站的尝试,那么,利用它们作为地球一月球之间的转运站,对完成登月任务肯定有益。
有望首批在月面前哨站上安装的仪器设备是天文观察仪器、月面取氧试验装置、月面氦3开采设备等。月面前哨站还要配备月球车等月面交通运输工具,拥有可供航天员作短期居留的设施。
(3)建立长期性月球基地
月面前哨站建成后,将可对月球环境和资源作进一步探测;可利用从地球陆续运来的设备和在月球上生产的材料,来扩大站体的规模和功能,逐步发展成为具有自我保障能力,可长期有人居住的基地。这个基地将拥有闭路生命保障系统,能同时容纳几十人甚至上百人在其中生活和工作;拥有加工、制造的车间工厂和开采、提炼的设备;拥有月基航天活动的设施。随着月面活动能力的增强,月球基地依靠地球供应的局面将逐步改观,演变成为自主式、全能型的月球开发基地。
需要发展的关键技术
要实现建立月球基地的远大目标,需要解决有关领域的技术问题。从运载器技术来讲,需要有大推力的运载火箭、性能先进的航天飞机等运载器,把建站所需的物资及航天员送到近地空间站,然后再由过渡飞行器把物资和人员送到月球。过渡飞行器应具有重复使用的能力。因此,大推力运载火箭及可重复使用的航天运载和运输器是建立月球基地的一项关键。
从航天器技术来讲,需要用空间站作为地球一月球交通中的枢纽。近地空间站,或拟议中的月球轨道站应成为一个多功能的航天基地,使航天员及补给品、设备和推进剂能经过近地空间站送往月球基地,使航天员及月球基地的研究成果和生产成品能经过月球轨道站向地面返回。近地空间站还可以用来试验将在月球基地使用的闭路生命保障系统、人造重力、自动化技术和机器人、专家系统等。
从人员安全和资源开发来讲,需要发展月面生存和活动技术。要妥善解决月面生命保障问题,为站上人员创造出一个良好舒适的生活和工作环境。还要发展高度自动化作业和月球资源的应用技术,以减轻工作人员的负担和充分发挥基地的作用。
建立月球基地的技术难度极大,所需投资巨大。这项工程单靠一国的国力看来难以实现,走国际合作、联合建造的道路是一个比较现实可行的途径。
创造人在月球上的生存条件
怎样保障人类在月球上生活、居住?科学家认为首先应解决以下几点:
(1)解决呼吸与饮用水的问题
淡水和氧气是人类生存必不可少的东西。月球上既没有水又没有空气,但是月球的沙土里含有很多的氧,于是科学家们提出了用月球沙土制造淡水和氧气的设想。
先用自动铲车挖掘月面的沙土,从中选出含氧的铁矿物,然后使含氧铁矿物还原,便可制得淡水。有了水,通电使水电解,得到的是氧气和氢气;氧气经液化贮存,随时可向基地居民供应;最初用作还原剂的氢可从地球上运来,但生产开始后电解水获得的氢即可循环使用。