月球探測

魏蕾

月球，作為地球的天然衛星，是距離地球最近的天體。從人類探索浩瀚宇宙的歷程看，對月球的探測為人類邁向比月球更遠的其他天體奠定了堅實的基礎。2017年頒布的《義務教育小學科學課程標準》，要求學生“了解人類對宇宙的探索歷史，關注我國及世界空間技術的最新發展”。在中國科學技術館，可以通過“太空探索”展區的展品“月球科考”和“嫦娥與玉兔”了解月球的奧秘及我國的探月進展。

月球科考

1971年7月31日，美國“阿波羅15號”飛船的宇航員大衛·斯科特和詹姆斯·艾爾文實現了人類首次在月面駕駛月球車，他們駕駛月球車行駛了數千米，共收集了約77千克月球巖石標本。通過展品“月球科考”，可以模擬體驗駕駛月球車在月面上行駛。

該展品由2個未來月球車三軸振動平臺及投影等組成（見圖1），利用虛擬現實和三軸振動平臺技術，讓觀眾體驗虛擬駕駛月球車在月面行駛并執行科考任務。展品以未來人類登月后建設月球基地為故事背景，2名觀眾以比賽的形式駕駛月球車執行月球科考任務，尋找水冰資源、氦-3資源或玉兔號巡視器，每個任務都分布在月球上不同的地點，觀眾可以領略不同的月面風貌。觀眾坐在模擬月球車的座椅中，佩戴虛擬現實頭盔，通過座椅兩側扶手上的按鈕與搖桿虛擬駕駛月球車在月面行駛，三軸振動平臺會根據觀眾經過的月面路況模擬起伏振動，猶如真實地在月面上行駛，從而讓觀眾身臨其境地感受月球地貌。此外，投影屏中會實時顯示觀眾在月面行駛的第三視角畫面，其余觀眾可從投影屏中觀看參與觀眾在月面執行任務的情況。

從虛擬駕駛月球車的體驗過程中可以發現月球表面是起伏不平的，分布著許多月海、高地和撞擊坑。月海是指月球上地形相對低洼的大型盆地。當我們仰望夜空，會看到月球上有大大小小的深色斑塊，那就是月海。絕大多數月海分布在月球正面，約占正面面積的一半，而在月球背面月海分布極少（見圖2）。高地是指月球表面高出月海的地區，一般比月球水準面高2～3千米，它是月面最古老的地形單元。高地的反照率比較高，正是夜晚我們看到的月球上較明亮的那部分。在月球正面，高地的面積大致與月海相等。而在月球背面，高地的面積要比月海大得多。

撞擊坑是指分布在月球表面密密麻麻的凹坑。據統計，月球表面的撞擊坑總數在33000個以上，尤其密集分布在高地的區域。撞擊坑的大小不一，小到幾十厘米或更小，而直徑大于1千米的撞擊坑的總面積約占整個月球表面積的7%～10%。月球上的撞擊坑多采用世界著名的科學家和思想家的名字命名，比如我們耳熟能詳的哥白尼、第谷、伽利略等，以及我國古代科學家張衡、祖沖之、郭守敬等。此外，在月球上也有一些與地球上相似的山脈，它們多以地球上的山脈名稱命名，如阿爾卑斯山脈、亞平寧山脈、高加素山脈等（見圖3）。

嫦娥與玉兔

我國于2004年正式啟動探月工程，實行繞、落、回三步走計劃。嫦娥一號于2007年10月24日成功發射，實現了我國月球探測從無到有的歷史性突破，圓滿完成了一期“繞月”使命。嫦娥二號于2010年10月1日成功發射，作為探月工程二期“落月”的先導星，成功試驗了探月工程二期部分關鍵技術并對預選落月區域進行了重點探測。2013年12月14日，嫦娥三號在月面順利軟著陸，首次實現了我國航天器在地外天體軟著陸。2019年1月3日，嫦娥四號安全著陸于月球背面，實現了人類探測器首次在月球背面軟著陸，為人類揭開了古老月背的神秘面紗。隨著嫦娥系列探測器的發展，我國對月探測能力不斷提高，從展品“嫦娥與玉兔”中可以一睹嫦娥系列探測器的風采。

該展品由嫦娥探測器高仿真模型、展臺、投影等部分組成（見圖4）。觀眾可以近距離觀看嫦娥探測器1：1高仿真模型，并通過投影內容了解探測器相關科學任務及探測成果。從2016年“太空探索”展區開展至2019年1月，該展品展示了嫦娥三號探測器，觀眾可以近距離觀看嫦娥三號著陸器和巡視器（玉兔號）的高仿真模型，結合圖文講解了解其結構和功能，并通過投影查詢嫦娥三號探測器在月面拍攝的真實影像。2019年1月之后，根據我國探月工程的最新動態，該展品更新為嫦娥四號探測器的相關內容，觀眾在此可以看到嫦娥四號著陸器和巡視器（玉兔二號）的逼真面貌，了解我國空間技術的最新發展。

從投影的多媒體內容中可以了解到嫦娥四號任務的順利完成離不開一個重要的功臣——“鵲橋”中繼衛星。由于潮汐鎖定的作用，經過長期演化，月球繞地球公轉的方向、周期和月球自轉的方向、周期都趨于相同，導致月球總有一面是背對著地球的。這就好比甲、乙兩人始終手拉手，甲在原地轉圈，乙以甲為中心做圓周運動，在此過程中兩人總是面對面，無法看到對方的背面。嫦娥四號的任務是要在月球背面實現軟著陸，但是著陸在月球背面的嫦娥四號會受到月球自身的遮擋，無法直接與地球實現通信。因此，需要通過“鵲橋”中繼衛星實現在月球背面的嫦娥四號與地面站的中繼通信。

“鵲橋”中繼衛星于2018年5月21日在西昌衛星發射中心成功發射。經過多天飛行，于2018年6月14日順利進入環繞距離月球約6.5萬千米的地月拉格朗日L2點的Halo使命軌道，成為世界上首顆運行在地月L2點Halo軌道的衛星。地月拉格朗日L2點位于地球和月球連線的延長線上，是地月的引力平衡點之一?！谤o橋”在該點附近，受地球和月球的引力之和使其可以與月球同步繞地球運動，與地球和月球處于幾何關系幾乎不變的狀態，并能夠連續對地球和月球背面同時可見，確保其一直與著陸于月球背面的嫦娥四號保持通訊，并與地面站建立聯系;受地球和月球的影響小，所需的軌道維持燃料較少;很少被地球或月球遮擋，光照條件好，能獲得豐富的太陽能（見圖5）?；谝陨蟽瀯荩谤o橋”中繼衛星為地球和38萬千米外的月球背面搭起了一座最長的“橋”。在“鵲橋”的輔助下，嫦娥四號著陸器和玉兔二號巡視器已順利在月球背面開啟漫漫的科學探測工作。

探月之路，遙遠漫長，每一步都蘊含了無數航天人的艱辛付出。登上月球背面為人類打開了通往神秘宇宙的大門，是人類探索太空這萬里長征中的重要一步。“不積跬步，無以至千里”，探索浩瀚宇宙永無止境。