作者:邱晨辉 来源:中国青年报 发布时间:2013-11-29 10:27:33
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嫦娥三号:比《地心引力》更牛的科普大戏
 
将实现我国“落月”任务的嫦娥三号已整装待发。11月26日,国家国防科技工业局举行了嫦娥三号任务第一次新闻发布会,对外称嫦娥三号“进展顺利”,12月上旬择机发射。
 
此前一周,好莱坞大片《地心引力》杀进中国,华丽的3D特效,太空“漫步”、近地轨道俯瞰地球和太空的别样美景,以及神舟、天宫等鲜明的中国元素,让国人提前享受了次太空之旅。然而,挑剔的观众很快发现片中的诸多硬伤:失重条件下,宇航员长发没有漂浮、卫星碎片飞行方向错误,等等。
 
相比之下,曾在今年6月份给人印象颇深的天宫太空授课,则让人们对中国航天尤其是嫦娥三号“落月”这一真实的探索之旅充满期待。探月工程副总指挥李本正对中国青年报记者说,一旦嫦娥三号任务成功,其返回来的影像,将把月球的概貌、环境介绍得更为翔实,可让孩子更直观地认识月球、太阳系乃至更多深空。
 
《地心引力》只是碰上了小概率灾难,探月才充满风险
 
《地心引力》被一些人解读为航天灾难片,其中一颗卫星被炸所致的太空碎片是这一灾难的始作俑者——每隔90分钟来一场“流星雨”式的袭击,大凡近地轨道的太空站、载人飞船、航天飞机几乎都难幸免于难。
 
然而,这一灾难的缘由在现实航天活动中只是小概率事件。航天专家、《国际太空》杂志执行主编庞之浩在接受中国青年报记者采访时说。
 
现实中曾维修过“哈勃”太空望远镜的是“阿特兰蒂斯”号航天飞机。根据当时的计算结果,阿特兰蒂斯号执行维修任务期间遭太空碎片“灾难性撞击”的几率约为1/185。对于执行飞往国际空间站任务的航天飞机来说,这一几率通常为1/300。美国宇航局统计显示,“哈勃”自1990年升空以来,尚未因为太空碎片的撞击而遭受严重损伤。
 
相比之下,像嫦娥三号这般肩负“落月”任务的探月工程才是真正的高风险。
 
李本正说,据其掌握的资料统计,截至目前,不包括嫦娥三号,世界上共进行了129次月球探测活动,其中,美国59次,苏联64次,日本和中国各两次,欧空局和印度各1次。以上共成功或基本成功66次,失败63次,成功率仅有51%。
 
另一个对高风险的直观认识,可依据“工程环节、零部件多与少”判断。科普作家、中国科技馆副研究员赵洋告诉中国青年报记者,环节越多,可靠性越差。
 
一架航天飞机需要数百万个零部件,假设每个零部件的可靠性是99%,两个零部件的可靠性就是两者可靠性相乘的结果,约为98%。以此类推,零件越多,可靠性越小,也因此有了“美国不再发展航天飞机因其可靠性差”的说法。
 
至于嫦娥三号,其具体可靠性数据尚不得而知,但究其环节而言,赵洋说,运载火箭将嫦娥三号探测器直接送入地月转移轨道,探测器在轨飞行几天,近月制动将被月球捕获,进入环月圆轨道,运行几天后,嫦娥三号变轨进入椭圆轨道,再经过一段时间即可实现“落月”。其后,巡视器(俗称月球车)将从着陆器里“走”出来,并完成在月面上的巡视,如此算下来,“落月”任务比单纯的“绕地”任务多的“不只一个两个环节”。
 
尽管有着高风险,探月工程依然需要“勇敢”地开展。庞之浩说,在没有大气层的月球上,可以不间断地进行天文观测,加之月球上的重力只有地球的1/6,以及其自转与公转周期相同等因素,在月面上可以持续进行约14个地球日的夜间观测。
 
这也就是为什么月球被称作最佳科研场所的原因。用“嫦娥之父”、中国月球探测工程首席科学家欧阳自远的话说,“月球上不仅矿产资源和能源丰富,而且月球也是人类征服太阳系、开展深空探测的前哨阵地和转运站。”
 
近地轨道“中国拯救了世界”,但深空探测中国尚属第二集团
 
在《地心引力》里,主人公最后的救命稻草是中国的“神舟飞船”,当影片里开始频频出现“神舟”、“天宫”时,不少影院里的观众开始唏嘘,也有人在网上戏谑道,“中国又一次拯救了世界。”
 
但从现实的航天环境来看,这种情节的联想并非完全臆造。庞之浩说,近地轨道上的载人航天器主要分为空间站、载人飞船和航天飞机,而后者由于失事过多已经停止使用,加之空间站不具备天地往返能力,故载人飞船成了唯一能够“扭转”女主人公命运的航天器。而到目前为止,全世界已经具备自主载人航天能力的国家只有俄、美、中三国。
 
不过,这只是近地轨道的太空世界,在深空探测即脱离地球引力场,进入太阳系空间和宇宙空间的探测领域,中国航天的位置又是如何呢?
 
“人类共进行了上百次月球探测、 42次火星探测和40次金星探测。与先进国家相比,中国在科学认识和相关技术上还有较大差距。”欧阳自远告诉记者。
 
众所周知,人类探索、开发和利用月球的活动,可概括为,探月、登月和驻(住)月三个阶段。庞之浩说,美国人已经完成了前两步;苏联人完成了第一步;中国则和欧洲航天局,日本、印度一起,同属第二集团,正在完成第一步,而这一步又分“绕”、“落”、“回”三小步,探月的第二集团现都完成了第一小步——绕月,并均准备实现第二小步。
 
对于这一步,目前,全球仅有美国、苏联成功实施了13次无人月球表面软着陆;只有美国实现了载人登月,苏联开展了两次月面无人巡视探测任务。
 
这意味着,如果嫦娥三号落月顺利实现,中国将在世界探月的第二集团中领先一步。庞之浩评价。
 
然而,不管是嫦娥一号的“撞月”,还是嫦娥三号的“落月”,其所处的世界探月环境都颇不宁静,用庞之浩的话说即“赶上了竞争最为激烈的探月高潮期。”
 
上世纪50年代末到70年代初,人类曾掀起第一轮探月高潮,主角是原苏联和美国。但后来,两国分别因为不同的原因,停止了探月活动。
 
从1976年到1994年,被欧阳自远称为“宁静思考期”。期间,仅有日本发射了一次探测器。
 
最近一次高潮就是当下,以2003年欧洲航天局成功发射“智慧1号”为起点,这是21世纪人类发射的第一个月球探测器,2009年6月,美国两个月球探测器升空。
 
11月5日,就在中国的嫦娥三号运载火箭赴西昌发射场后的一周,印度发射了首颗火星探测器,将目光投向比月球更远的深空。而按照计划,印度今年还将发射由该国和俄罗斯共同研制的“月船2号”探测器。针对月球竞争之激烈可见一斑。
 
“嫦娥”和“玉兔”将度过的每一道难关都是科普大餐
 
其实,不必对一部科幻片苛求太多,赵洋说,通过电影,能让青少年对太空产生兴趣足矣。而现实中的嫦娥三号及其整个作业过程,才是一场更“真实”且“经得住刨根问底”的科普大戏。
 
国防科工局对外称,嫦娥三号任务需突破地面试验验证,多窗口、窄宽度准时发射,月面软着陆,两器分离,月地间遥操作,月面生存,测控通信等七大关键技术。在赵洋眼中,其中每一项关键技术,都是一道丰盛的科普大餐。
 
以月面软着陆为例,由于月球上没有大气层,嫦娥三号的“落月”无法像《地心引力》里被一团火焰包裹着的神舟飞船那样“落地”,只能依靠科研人员采用的变推力发动机、自主导航控制技术和研发缓冲吸能部件来实现“落月”。
 
这其中运用到的原理就有中学生物理课本涉及的“相对运动”,以及“作用力与反作用力”,赵洋说,“看似和我们很遥远的‘嫦娥’,那样一个庞然大物,对孩子们而言,也可以通过自己所熟知的科学理论,来拉近彼此的距离。”
 
在人们的想象中,“玉兔”号漫步虹湾,是件十分浪漫的事情,但现实的环境是,月球昼夜温差达330℃,而“玉兔”走得也远比人们想象得慢,时速仅约200米。
 
这就是月面生存问题,必须保证在寒冷的月夜下着陆器和探测器不被冻坏,太阳出来时再自动唤醒开始工作。
 
从国防科工局对外发布的信息看,“玉兔号”月球车利用导热流体回路、隔热组件、散热面设计、电加热器、同位素热源,可耐受330℃的温差。其中一个关键的内容就是“同位素热源”,而这“拗口”的专业术语在中学阶段的课本里也有体现,即“放射性同位素”。
 
赵洋说,嫦娥三号所携带放射性同位素电池的热源就是放射性同位素,放射性同位素在衰变过程中会不断向外放出具有热能的射线。由于其衰变时间很长,也决定了放射性同位素电池可长期使用。
 
一旦踏上月球,人们还要习惯使用天文单位。赵洋告诉记者,以地月38万公里的距离来计算,光速距离不到两秒钟,但就在这么“短短”的天文单位里,如何让“玉兔”号行走,即实现月地间遥操作,将用到包括人工智能、计算机、电子学等在内的多个领域的原理,这些都值得中学生关注。
 
虽然现实中的航天活动,无法像电影那样过多展现太空美景和惊心动魄的生死情节,但在赵洋看来,对中国青少年的科普,点燃兴趣只是第一步,如果知其然而不知其所以然,则只是一场娱乐而不能称之为科普。从这个角度来说,嫦娥三号这场科普大戏很值得期待。
 
 
 
 
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