“嫦娥一号”与“月亮女神”(图)

中新网10月24日电 新闻背景：“嫦娥一号”与“月亮女神”

　　记者 黄琦

　　月球探测，从科学目标上来说，各国都有很大的相似性，其科学目标都是围绕着月球的起源和演化进行的。9月14日，日本发射的“月亮女神”，就直接把目标定为探测月球的起源与演化。但是，这是个终极目标，需要不断地开展探测，才可能接近问题的本源。其实，每进行一次月球探测，都具有具体的任务和探测项目。此次“月亮女神”的具体探测项目中有些部分与嫦娥一号卫星相同。

　　嫦娥一号卫星将从四个方面开展对月球的探测：第一：获取月球表面三维立体影像；第二，分析月球表面有用元素及矿物质的含量和分布；第三，测量月壤的厚度和评估月壤中氦-3资源量；第四，探测地——月球空间环境。

　　嫦娥一号卫星也是大协作的结果。卫星有效载荷系统由中科院空间中心作为有效载荷总体单位进行设计和研制。西安光学精密机械研究所、上海技术物理研究所、紫金山天文台、高能物理研究所和中科院空间中心都承担了相关设备的研制。整个有效载荷系统有8种探测仪器，共24件硬件产品。

　　获取月球表面三维立体影像，即是观测月球的地形地貌，嫦娥一号卫星是利用立体相机和激光高度计来实现。

　　嫦娥一号卫星是第一次去探测月球，要先看月球的概貌，所以相机的分辨率设计在120米，月表成像宽度为60千米。激光高度计的分辨率很高，在1米，最大误差是5米。

　　嫦娥卫星有效载荷控制在140公斤以下。这决定了设备只能往小、轻、精的方向设计。一般说来，立体影像是由两台或者三台相机从不同的角度拍摄而成，如“月亮女神”就是用两台相机从前后两个视角观测月球表面。而嫦娥一号卫星的相机设计很巧妙，只用了一台相机。巧妙之处在于，利用一片面阵CCD组成了这台相机的电子“底片”，在卫星飞行过程中每次只取CCD面阵中的前、中、后三行像素的信号，相机在随卫星的飞行的过程中，对月球表面进行“逐行扫描”，就会获得星下点、前视17°、后视17°三个视角形成的三幅二维原始图像数据，经过三维重构后，月球表面三维立体影像就被再现出来。

　　嫦娥一号卫星的激光高度计比“月亮女神”要小，但分辨率较高，嫦娥一号为1米，月亮女神为5米。高度越高，激光能量越容易衰减，月亮女神在100千米的轨道上运行，嫦娥一号在200千米的轨道上运行，所以嫦娥一号激光高度计的激光能量也需要随之增强。CCD相机只能在月球表面有光照的情况下获取月表图像，而激光高度计则不受这个限制，在月球背阳面也能照常工作。当获得的点积累得足够多时，一张月球的地表数字立体图像也就出炉了。

　　在观测月球表面这个任务上，“月亮女神”比嫦娥一号卫星多一台设备——测地雷达，它能“看”到月球表面以下几千米。

　　分析月球表面有用元素及矿物的含量和分布通过X射线谱仪、γ射线谱仪以及干涉成像光谱仪实现。

　　月球表面物质的原子或者原子核受到宇宙射线粒子的轰击后，会激发出各具特征的x射线和γ射线。一些天然放射性元素不用宇宙射线的激发，自身就能发射x射线或γ射线。通过γ射线谱仪测量这些特征γ谱线的能量和通量，专家可以推导出月球表面元素的种类和蕴含程度。

　　X射线谱仪的功能类似于γ射线谱仪，它能探测月球表面元素原子在太阳下射线激发过程中释放的特征x射线，x射线的能量将直接与物质成分有关。作为月表成分研究，x射线谱仪和γ射线谱仪的测量结果可以很好地互相补充。

　　但x射线谱仪和γ射线谱仪只能探测月球表面含有的元素，并不知道这些元素形成了哪些矿物质。这个任务就要交给干涉成像光谱仪。

　　由于不同的矿物质能吸收不同的光波。干涉成像光谱仪就根据这个特征判断岩石的种类。

　　利用微波辐射的原理来探测月壤的厚度

　　嫦娥一号卫星利用微波辐射手段探测月壤在全世界尚属首次。微波探测器曾多次用在针对地球的探测器上。虽然这种手段探测月壤还备受争议，但近年来，随着科学技术的发展，各国科学家逐渐认识到它是探测月壤的一种可行手段。孙辉先总师说，嫦娥一号卫星在国际上首次利用微波探测月壤的厚度，其数据处理的方法还需要在实践中检验和改进。

　　任何温度高于绝对零度(即零下273℃)的物体都会产生微波辐射能量。利用不同频率的微波信号穿透月球表面物质的能力区别，便可获取月壤的厚度信息。嫦娥一号卫星上的微波探测仪被设计成多频微波辐射计，选择的探测频率有3.0GHz、7.8GHz、19.35GHz和37.0GHz。微波的频率越高，其穿透能力越低，如37.0GHz，反映的仅仅是月球的表面微波辐射，而3.0GHz这个波段穿透能力较强，能反映月表深处月岩和月壤辐射的能量之和。利用测得的月表不同波段的微波辐射能量信息，专家就能分析出月壤的厚度。

　　孙辉先总师说，利用微波分析月壤的厚度本身就是一门科学，嫦娥一号卫星在这个领域也在进行探索，现在，国内一些专家已经找到了分析这些微波数据和反演月壤厚度信息的方法。孙辉先总师说：“应该说，这项任务有一定探索性。”第一次吃螃蟹总有风险，但后人能在这条道路上继续前进。“月亮女神”没有这项任务。

　　探测从地球到月球的空间环境

　　宇宙充满了各种射线，太阳每时每刻都在向外发射高能粒子、太阳风。由于一层厚厚的大气层环绕在地球周围，地球上的万物生灵的脆弱生命才得以延续。其实，地球外围也有太阳风，但地球有强磁场，太阳风在地球磁场的作用下完全变形。所以，科学家在地球上测到的太阳风都受到了地球环境的影响。月球虽然绕地球运转，但受地球磁场的影响极弱，那里有原始的太阳风。从月球探测的长远目标来看，人最终要在月球上开展活动，摸清月球上辐射的情况，有利于采取有效措施保护航天员的生命健康。

　　“月亮女神”在探测月球环境方面的任务比嫦娥一号卫星多一些，它还要探测月球磁场、从月球表面溢出的氡等放射性元素发出的阿尔法粒子，以及备受科学家争议的月球电离层等。而且，“月亮女神”还要从月球上来看地球的电离层、极光全貌，从另外一个角度看人类的家园。

　　嫦娥一号卫星携带的高能粒子探测器和太阳风离子探测器是我国首次对月球空间辐射环境进行探测，能探测太阳高能带电粒子多种成分和太阳风粒子详细能谱、方向和体速度等。

　　嫦娥一号卫星有效载荷系统创新多

　　嫦娥一号卫星虽然基于东方红三号卫星研制平台，但有效载荷系统设备几乎是全新的。除了空间环境的仪器，如高能粒子探测器，曾经在一些卫星用过，这次只是局部作了一些改造，其他仪器基本上都是自主设计研制的。

　　激光高度计完全是自主创新的。在开始设计激光高度计时，研制单位又从国外购买激光器的想法，但是，国外的激光器很贵，经费支持不了；二是体积、重量很大。外国货“水土不服”，只能自己研制。科研工作者发扬了大协作的精神，从最基本的激光二极管开始研制，把激光二极管拼成激光阵列后，再把激光阵列做成激光器。发出激光的这部分研制成功后，又研制接收激光这部分，其最重要的器件是雪崩二极管，它相当于这台仪器的“眼睛”，能看见激光。我国以前的卫星没有用过激光高度计。这次一切从最基础的器件研究，很费工夫，难度也可想而知。

　　γ射线谱仪也有创新的地方。宇宙射线打到元素上，元素会激发γ射线。而卫星本身很多地方都用了很多金属材料，宇宙射线打到卫星上，也同样产生γ射线。如何确定哪些射线是来自月球的呢？1998年，由美国发射的月球勘探者号也装有γ射线谱仪，但是，它伸出一根长杆使γ射线谱仪远离卫星本体，从而避开卫星本身受激发出的γ射线的影响。卫星在轨道上要伸出一根长杆，在杆的末端安装γ射线谱仪，难度很大。嫦娥一号卫星没有采用这种方式，它携带的γ射线谱仪中主探测器晶体的一个面朝向月球，其他面都用同一种晶体包裹起来，叫做反符合晶体。直接进入γ射线谱仪主晶体的射线来自月球；而先穿过反符合晶体，再进入γ射线谱仪主晶体的射线则是来自卫星本身，这样就能很容易地区分出哪些γ射线是来自月球的了。