人類的目光投向月球、火星以及太陽系……

彭永清

人類的活動區域正向地球之外的太空迅速擴大。作為太空開發的舞臺，由美、俄、日、加拿大、巴西和歐空局成員國共同使用的國際空間站（ISS），將于2024年結束使命，各國也開始著手進入太空新時代——從繞地軌道到深層宇宙。作為實現這一目標的基點，世界將目光再次投向了月球。如果能在月球上開發水資源，不僅可以解決宇航員的飲用水問題，還可以制造火箭燃料。這樣，人類就能以月球為基地到達火星甚至整個太陽系。

人類50年后重返月球

2017年10月18日，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）宣布，探月衛星“月亮女神”（又稱“輝夜”）的電波雷達觀測數據表明，月球的地下存在直徑約數米的縱向孔洞和孔洞底部東西走向、全長約50公里的巨大坑洞。“月亮女神”科研小組稱，巨大坑洞即“熔巖隧道”，或是火山熔巖流出后形成的。如果對縱向孔洞和巨大坑洞進行探查，或許能了解月球在過去是否出現過火山噴發、是否存在磁場，以及能否在巨大坑洞的熔巖中找到水、空氣及其他礦物質等重要信息。目前，科學家們認為月球上最有可能存在的是水資源，估計月球南北兩極分布有約達60噸的積冰。2017年12月，JAXA與印度宇宙研究機構簽署協定，就可能存在積冰的月球兩極進行探測。為探究月球的巨大坑洞能否成為人類躲避太空射線和月球表面劇烈溫差的據點，美國宇航局（NASA）計劃將月球探測器送入其中。在首次登陸月球約50年后，人類在月球表面構建社會基礎已提上議事日程。

作為與地球最近的天體，月球是人類首先造訪、從中學習如何適應宇宙環境并向更遙遠星球出發的基點。但是，與充滿空氣和磁場的地球相比，月球被眾多隕石和太空射線包圍。在其赤道附近，最低溫度達零下150攝氏度，最高達120攝氏度。不過，“月亮女神”科研小組認為，月球上的縱向孔洞及底部的巨大坑洞或許可以躲避輻射，而且溫度恒定。此外，由于巨大坑洞內部表面覆蓋著一層硅物質，因此密封性好，如果通過特殊裝置將空氣送入，就可以讓巨大坑洞保持適合人居的空氣壓力，這樣人類還可以將之作為長期進行科學探測的基地。

為何人類會在21世紀的今天再次將目光投向月球？原因主要有三點：其一，月球是人類擴大活動領域的新據點，也是人類探索更遠星球（如火星）的基地。其二，人類通過對月球的科學探測來理解太陽系，或能揭開地球和太陽系的起源之謎；而且沒有空氣且電波無法到達的月球背面是理想的天文觀測地。其三，將月球資源作為地球資源的補充，為人類發展提供能源。可以說，這些目標是人類根據過去“阿波羅”等月球探測計劃所獲得的龐大數據而展開的設想。“阿波羅計劃”的數十年后，人類太空輸送技術和探測技術顯著提高，控制系統、感應器和通信設備等的性能和可靠性都是“阿波羅”時代無可比擬的。而如何更高效、更深入地展開月球探測，則成為人類再次瞄準月球的巨大動力。

人類一度停止月球開發

1969年，美國“阿波羅計劃”令人類首次成功登陸月球。在之后的3年時間里，阿波羅飛船先后執行過17次任務，其中6次登月成功，并將12名美國宇航員送上月球。但是自阿波羅登月成功之后，人類在近50年的時間里對月球的探測一直處于停滯狀態。究其原因，首先是月球的距離遠。人們或許認為月球離地球近，而國際空間站離地球遠。實際上，國際空間站距地球僅約400公里，而月球與地球的平均距離在38萬公里以上。因此，登陸月球需要克服超乎想象的困難。二是火箭發射難度大。向月球發射的火箭，先要繞地飛行，調整軌道參數后，從國際空間站附近再飛往月球。如果要將搭載可供宇航員待上約兩周的設備、氧氣、水和食物等的太空飛船送入月球軌道，那么完成這一任務的火箭要比單純發射國際空間站的火箭龐大數倍。比如“阿波羅計劃”中的“土星五號”火箭的重量是蘇聯“聯盟號”火箭（發射至國際空間站）的10倍左右。第三，到達月球的時間長。火箭飛往月球需要多長時間？從地球發射的載人飛船或月球探測器通常都不會走直線，而是沿著大橢圓軌道飛向月球。人類第一顆月球探測器——蘇聯的“月球1號”——從地球直接飛往月球并從月球上空近6000公里處飛過，用了約兩天時間；首個攜航天員登上月球的“阿波羅11號”飛船發射后先進入環繞地球飛行的停泊軌道，然后再經過70多個小時的地—月飛行后進入月球軌道，并且在發射后80小時11分進行環月飛行，102小時45分兩名宇航員駕駛登月艙在月球表面著陸，阿波羅飛船從火箭點火升空到著陸月球用了4天多時間。到達月球耗時最長的是歐洲宇航局的“智慧1號”月球探測器，它采用了一種稱為離子推進系統的先進技術，經多次變軌，在太空中巡游了一年零兩個月才進入環月軌道。中國“嫦娥一號”探測器在飛往月球的過程中，先由“長征三號”甲運載火箭送入運行周期16小時的地球軌道，運行多圈后經過軌道機動進入運行周期24小時的軌道，然后通過再次機動進入48小時軌道，在此過程中逐漸抬高軌道高度，最后離開地球進入奔月軌道并飛往月球，飛行110多個小時后到達近月點，還要經過三次減速機動后，最終進入距月球200公里的圓軌道。“嫦娥一號”飛抵月球的時間為14天。第四，巨大的資金投入。要想登上月球，就必須制造出專門的飛船和火箭，這需要花費巨大資金。將航天員送入繞地軌道，跟將他們送入月球所費資金無法相提并論，后者的規模要大得多。目前為止，投入巨額資金實現的目標即載人月球探測。

過去的50年間，人類太空探測的舞臺是地球上空400公里軌道環繞飛行的國際空間站。在空間站里，超過100名以上的宇航員一直在進行著有關人類未來太空生存可能性的各種實驗，并積累了許多經驗。原計劃2020年結束使命的空間站在美國的提議下延長至2024年。2010年，美國率先宣布將地球周邊的太空探測任務委托給民間企業，發起更高層次的挑戰。各國之后也隨之響應，紛紛提出了目標為月球和火星等深層宇宙的探測計劃。半個世紀前，月球探測是美俄之間為顯示國威而展開的競爭，而今探月目的已經不止于此，人類考慮的是如何開發和利用沉睡于月球的各種資源，并將其作為機器人進行宇宙開發的技術實驗基地。目前世界各國的月球探測均表明月球上存在含有礦物質的水和冰——在太空中，這些可供人類生存的物質是極其寶貴的。如果能將月球上的水變成宇航員所需的飲用水，就能將氫和氧分解作為火箭燃料使用，或許人類還可從月球上發射探測器至更遙遠的火星。另外，人類已經發現月球表面某處的光照時間長達半年以上。由此看來，既可確保能源供給，又在物質運輸和通訊等方面具備條件的月球，有望未來成為登陸小行星等的太空飛船的技術實驗場、火星探測火箭的開發場地，以及為探測太陽系進行各種新技術實驗的場地。

各國瞄準登月目標

目前，各國正掀起重返月球的熱潮。2017年10月，美國總統特朗普首次召開國家宇宙會議，副總統彭斯宣布將再次向月球輸送宇航員，并構建飛向火星的基地。美國今年將利用SLS重型運載火箭和“獵戶座”太空飛船進行月球無人飛行計劃（EM-1，即Exploration Mission-1），接著于2020年左右完成該組合的載人飛行（EM-2，即Exploration Mission-2）。該計劃具體為：通過首次飛行的SLS火箭將“獵戶座”無人飛船送入距月球表面約7.5萬公里高的繞月軌道，并在26天至40天的時間里對飛船進行反復測試。無人飛行成功后，再將宇航員送入月球背面進行為期1至3周的往返飛行，最后返回地球。2017年12月11日（45年前“阿波羅17號”宇宙飛船登月的日子），特朗普簽署了美國太空政策1號文件。盡管NASA此前就已經公布了2025年之后完成繞月國際空間站的“深層宇宙探測門戶”（ DSG，即Deep Space Gateway）計劃，但這一旨在月球附近建造擁有居住空間和發電裝置等設備的巨大建筑物并將之作為通向深層宇宙的中轉站的構想，獲得的是政治上的支持。

美國的這一構想與俄羅斯聯邦航天局（ROSCOSMOS）的探月計劃不謀而合。2016年6月，俄羅斯國家航天集團的研究機構表示，俄羅斯計劃于2035年至2040年實施6次超重型火箭探月任務。據俄羅斯中央機械制造研究所稱，一子級的超重型運載火箭預計在2035年完成研發，以便向低地軌道運送不少于80噸的有效載荷，進而在2040年之前完成一次重約20噸的“聯邦號”載人飛船進入月球人造衛星軌道的發射入軌任務。俄國家航天集團表示，用于載人探月的一子級需要使用“安加拉”重型運載火箭。一次短期的探月之旅將需要發射4次具有可增加載貨能力的“安加拉”A5V運載火箭，而一次長時間的停留則需進行6次發射。考慮到具體燃料成分，所有發射任務將不得不在短時間內進行。因此，東方航天發射場和普列謝茨克發射場都將用于此探月項目。另外，俄羅斯航天員將在2029年乘坐新一代“聯邦號”載人飛船執行首次載人飛行探月任務，在首次飛行的前一年進行一次繞月飛行，并對隨后用于載人著陸的空間設備進行測試和驗證。2017年9月，ROSCOSMOS 與NASA宣布就在月球附近聯合開發國際空間站達成一致。同時，作為航天大國，俄羅斯還利用其世界唯一具備將宇航員送入國際空間站的技術獨立推進登月計劃，比如2030年實現載人繞月飛行和月表登陸；著手月球基地建設和登陸飛船的開發；2019年至2024年陸續向月球發射4個探測器，等等。

繼俄羅斯和美國之后第三個將人類送入太空的國家——中國也計劃在2025年以后實現載人探月和建造月球基地。2017年4月，中國“長征七號”火箭將無人太空貨船“天舟一號”送入太空，并與“天宮二號”實驗艙成功對接，這一成功實驗為中國掌握空間站食物和燃料補給技術、向最終獨立建造國際空間站邁出了堅實一步。2013年，中國“嫦娥號”月球探測器發射升空，其搭載的“玉兔號”月球車對月表進行了首次探測，預計2019年前后還將發射無人探測器從月球采集巖石和土壤樣本。中國正在實施將月球上挖掘的核聚變燃料“氦3”用于地球的大膽計劃。不僅如此，中國將在未來20年投入總額達800億美元的太空預算，包括2020年發射火星探測器（從火星上自動采集土壤樣本、拍攝火星附近小行星等），以及在2031年至2036年間實現載人探月計劃。中國國家航天局表示，如果中國實現載人探月這一目標，將一躍成為世界第一宇宙大國。

印度在太空探測方面也不甘落后。2008年10月22日，印度首顆月球探測器成功發射升空。該探測器攜帶了美國NASA提供的兩部測量儀器，一個是用于調查月球礦物資源的The Moon Mineralogy Mapper（M3），另一個是對月球背面進行測繪和積冰調查的Miniature Synthetic Aperture Radar（Mini-SAR）。印度希望通過這兩部儀器所獲得的探測數據來更詳細地了解月球表面環境，揭開月球起源與地貌成因，以及太陽系的演化對類地行星的影響等謎團。不過，該探測器在進入預定軌道后不久便與地面指揮中心失去聯系，該計劃因此宣告失敗。令人驚奇的是，該設計年限為一至二年的探測器在失聯8年后的2017年，竟被NASA使用的70米口徑天線發射高能微波束發現，仍在約200公里高的月球軌道上繞行。

日本也在不斷推進宇宙開發，以期在人類太空探測中占據一席之地。雖然日本是亞洲唯一參與國際空間站活動的國家，但政府并未提出探月的具體戰略。因此，日本文部科學省委員會于2017年11月提出了“國際合作進行月球探測”的目標，認為日本應該參與相關國家的月球同步軌道空間站建設、月球載人探測計劃，以及向太空運送物質和月表著陸等的技術開發。就輸送技術來說，日本于2013年4月通過大型H2B火箭成功發射了一架無人運輸機“鸛”并為國際宇宙空間站補給物資；載人技術方面，日本在國際空間站的“希望號”實驗艙正通過各種測試（比如讓人適應太空溫差巨變、調節飛船內溫度和濕度等），來確立在太空中維持生命的必要技術；在著陸和探測技術方面，日本先進的汽車制造技術也將用于月球探測，目前正就可在月球表面砂塵中快速行走的太空車開發項目進行官民合作。

如今的探月計劃，已經不再是冷戰時代的競爭開發，而是需要世界各國共同努力來實現。人類要再次奔向月球，需要掌握輸送、載人、著陸和探測技術。為此，世界各國的宇宙機構要聯手共同開發。

人類欲從月球到火星甚至更遠

與月球一樣，火星表面也被發現存在著縱向孔洞和底部巨大坑洞。只要人類將月球作為奔赴火星或更遠星球的前哨基地，就有可能通過技術和經驗的積累，在未來亦將火星作為長期進行無人和載人探測的活動基地。科學家們認為，火星地下坑洞內很可能存在生命體或者已經完成進化的場所。其內部不僅能防止隕石墜落、輻射和紫外線傷害，還留有過去火山爆發時產生的熱量，甚至有水源。隨著火星探測的不斷深入，人類或將在那里找到適合各種生物生存的生態系統。

不過，登陸火星并非易事。先要解決的問題就是在月球建立發射基地和中轉站，然后則是人類登陸火星須掌握的到達技術、生活技術和返回技術。其中最重要的是生活技術，首先是如何防止火星的強烈輻射——是在地下建造居住空間，還是利用防輻射物質來建造半圓形住宅？在人類尚不具備在月球上長期生活經驗的情況下，防止高輻射顯然非常必要。其次，人類認為火星上可能存在地下水，但如何獲取并利用這些水源也是一個問題。此外，還要解決太空飛船機體的耐熱性能這一大問題。飛船在進入大氣層時表面溫度高達1500攝氏度，因此必須確保艙內溫度適宜，才能保證宇航員從火星返回時的安全性。

無論是登陸月球還是更遠的火星，人類都必須進行精確設計。這也是許多科學家主張應先在月球表面進行反復而深入的實際驗證后再討論火星計劃的原因。而且，由于月球表面實證實驗計劃需要花費龐大資金，單憑一個國家難以完成，因此必須舉全人類之力來攻克這一難關。從月球登陸到奔赴火星生活，這或是人類未來的必經之路。而且，隨著人類智慧的不斷升級，許多難題都將被一一攻克。未來，充分掌握了空間站技術以及在其他行星上建立居家環境的人類，或許不僅可以在月球、火星，還可能在金星、木星甚至整個太陽系中更長久地生活下去。