月球探测与资源开发利用研究（7）
胡经国
㈡、中国月球探测
1、中国嫦娥三号5年后成功唤醒
据报道（20191216），除了玉兔2号以外，月球上还有中国另外一个探测器，它就是嫦娥三号。最近，月球表面传来了一大捷报，嫦娥三号探测器在发射5年后的如今被成功唤醒，成为了目前在月球上工作时间最长的探测器。这让所有人的目光都转向了东方。看来中国在探月技术领域即将进入世界一流梯队。
在此之前，只有美国与俄罗斯有能力探测月球。中国是世界上第三个有能力把探测器送上月球并且安全着陆的国家。那么，中国为何一定要实施探月工程呢？原因其实非常简单，因为登月一直是中国人的一个憧憬。这个梦想在中国已经在国人的心目中存在了两千多年。在这样的背景下，中国需要实施登月工程来完成这个愿望。
虽然美国是世界上第一个实现登月的国家，但是如今美国中断登月活动已经很久了。美国在短时间内难以恢复登月。而俄罗斯目前的经济情况堪忧，登月无疑需要大笔的资金支持。所以，如今俄罗斯开展登月活动也有一定困难。看来，目前只有中国有资金和技术开展登月活动。
在登月过程中，中国表现十分突出。中国是首个实现在月球背面着陆的国家。此前就连美国也没有成功实现过。那么，为何在月球背面登陆如此困难？首先，月球背面相距地球更加遥远，登月难度更大。其次，由于月球遮挡，因而地球信号很难传输到月球背面。这也进一步增加了登月的复杂性。但是，中国最终还是成功实现了这一目标。
同时，中国登月的意义还不仅仅是这些。对于中国而言，登月最大的成就还在于太空开发。因为，未来人类走向太空是必然的。在这样的基础上，如何让人类长期在太空定居就是关键。虽然空间站能够解决部分问题，但是如果能够在月球表面建立基地，那么无疑是更好的选择。所以，中国需要积极地开发月球。
其次，月球表面也有大量的资源，比如氦元素。如果能够很好地开发并且利用这些资源，无疑能够解决地球上的能源危机。因为，月球表面的这些资源足够人类使用很长一段时间。既然月球探测有这么多好处，所以中国要积极开展月球探测。
2、中国嫦娥四号登陆月球背面的考量
据报道（20181208），嫦娥四号月球探测器已经于今天凌晨2∶23从中国四川西昌卫星发射中心成功发射。预估，一个月之后将登陆月球背面。那么，为什么要选择月球背面登陆？却不选择我们都能看到的月球正面呢？这主要是有以下几方面的考量。
首先必须说一下，月球的正面和背面之分。其实，月球作为一个球体，并没有正面和背面的分别。这样的分别是人类给它加上去的。因为，月球已经被地球潮汐锁定，所以它只能以一面向着地球。因此自古以来，我们只能看到月球的一面，渐渐地人们就约定俗成地把能看见的月球的一面称为月球正面，而将相对应的也就把看不到的那一面称为月球背面。
嫦娥四号月球探测器之所以选择月球背面登陆探测，主要还是基于以下几个方面的考量：
第一、月球背面还是人类尚未开发的处女地。相对于月球正面，这里还有着太多的未知和秘密，因此也就有了更多的可能。平时我们拿普通望远镜就可以看到月球正面，而用大型天文望远镜则可以看清月球正面的细节。然而，在地球上却不可能看到月球背面，只能通过绕月飞行才能看到月球背面。而且，迄今为止，人类并没有在月球背面实地探测过。嫦娥四号探测器选择月球背面降落，实地考察这里的情况，不但具有开创意义，更可以发现月球背面更多的信息。
第二、由于月球背面一直处于地月系的外围，因而这里受到小行星等天体的撞击比较频繁。因此，天文学家们认为，在月球背面埋藏着太阳系形成的初始信息；在这里展开研究可以了解太阳系初期的状况。
第三、我们都知道，月球上蕴藏着丰富的氦-3能源资源。氦-3是氦元素的一种同位素。它可以和氢的同位素氘发生核聚变反应释放出巨大的能量，是一种高效的核反应原料。如果用这种材料进行发电的话，那么只需要几十吨就够全球每年的发电所需了。但是，地球上的氦-3储量只有半吨，这种资源在地球上非常稀缺。但是，月球上氦-3储量在百万吨以上。未来人类实现核聚变发电很可能首先会选择氦-3。相对月球正面来说，月球背面蕴藏着更多的氦-3能源资源。这是因为，太阳风在吹拂月球背面时不会被地球遮挡。太阳风中的氦-3可以充分沉积在月球背面的月壤中。所以，在这里氦-3资源极其丰富。嫦娥四号可以在月球背面详细探测月壤的性质，为今后月球资源的开发利用打下坚实的基础。
第四、月球背面有着良好的天文观测环境，将为天文学家们提供极佳的天文观测机会。由于月球围绕地球运行，因而它有时会在地球轨道的内侧。在这个时候，月球背面会受到太阳光的照射，而月球正面只会受到地球反射的太阳光的照射。有时，月球也会位于地球轨道外侧。在这个时候，月亮背面就不会受到太阳光的照射，同时月球背面也不会受到地球反光的照射。这个时候就给我们探测宇宙深空创造了极佳的条件。如果在月球背面安装大型宇宙深空望远镜，那么将会有很好的避免太阳和地球电磁波辐射的机会，有利于科学家们研究外太阳系和遥远宇宙的信息。
3、中国首次获得月球上全部激光反射镜回波信号
据报道（20191208），12月8日，记者从华中科技大学和中山大学联合在武汉举行的第六届天琴空间科学任务研讨会上获悉，自今年6月以来，“天琴计划”科研团队已经多次成功实现了地月距离的激光测量，并且在中国国内首次得到月球上全部5个激光反射镜的回波信号。
目前，包括中国在内，全世界仅有五个国家具备激光精准测量地月距离的技术能力，而“天琴计划”珠海激光测距台站又是少数几个能够实现对部署在月球上全部5个激光反射镜实现测量的台站之一。
20世纪60年代，在实施登月计划之前美国和苏联开始进行激光测月试验。但是，当时只能测量月面漫反射回波，测量精度十分有限。1969年7月21日，美国“阿波罗11号”登月成功，人类第一次踏上月球表面，登月宇航员带了一个激光后向反射器阵列Apollo11，并且将其放置在月面预定位置上。在成功登月仅数日以后，美国人即测到了来自该反射器的激光测距回波信号。
在此以后，美国利用阿波罗登月任务，相继在月面不同的位置放置了Apollo14、Apollo15角反射器阵列；苏联先后利用月球车Luna17与Luna21，在月面安置了Lunakhod17和Lunakhod21角反射器阵列。于是，在月面上共有5个可供进行激光测月的角反射器阵列。从此，月球激光测距成为最精准的地月距离测量手段。
在之后几十年里，陆续有法国、意大利、德国等的多家测站进行过激光测月相关研究。但是，由于各种原因，能够成功的只有极少数测站。近几年，能够进行常规激光测月的只有法国格拉斯测站、意大利马泰拉测站以及美国阿波罗测站。
据专家介绍，一座完整的月球激光测距地面站，主要包括望远镜系统、光路系统、光子探测系统以及其他辅助系统。这是一项涉及多学科领域的复杂的精密技术。其观测资料对天文地球动力学、地月系动力学、月球物理学以及引力理论验证等诸多学科的研究都具有重要价值。
2018年1月22日晚，中国科学院云南天文台应用天文研究团组的研究人员成功接收到了月球激光测距的回波信号。这是中国人首次成功利用激光精确地测量地球与月球的距离。
位于中山大学珠海校区的“天琴计划”激光测距台站，在不到一年的时间内完成了台站建设。2019年6月8日晚，首次测到Apollo15的信号；8月14日凌晨，首次测到Apollo14信号；11月7日晚，首次同时获得月球上的5个目标（A15、A14、A11、L17、L21），并且实现了高精度地月距离测量。目前，该科研团队对地月距离的测量精度正在进行评估。
地月激光测距试验，是开展“天琴计划”空间引力波探测必须攻克的关键技术。这是“天琴计划”“0123”路线图中的“0”步骤。与此同时记者获悉，“天琴计划”“0123”路线图中的“1”步骤，即国家立项的首颗面向未来引力波空间探测技术试验卫星，预计将于今年年底进行发射。
“天琴计划”是中国科学院罗俊院士于2014年3月在华中科技大学的一次国际会议上提出、以中国为主导的国际空间引力波探测计划。据悉，自1994年开始，罗俊在华中科技大学引力中心开始布局空间引力波探测研究。20多年来积累了若干关键技术，储备了一批优秀人才。此次天琴空间科学任务研讨会，吸引了国内外42个高校和科研单位的近300位学者积极参加。
4、中国收到全部月球回波信号
据报道（20191209），近几年，中国在航空航天领域的发展有目共睹。“嫦娥五号”月球取样项目即将实施；而“绕”“落”“巡”同步进行的火星探测任务同样将在2020年踏上征程。中国空间站项目更是迎来十几个国家的合作。
无论是在登月、火星探测等重大项目方面，还是在太空领域方面的一些基础研究，其各项成就如井喷式涌现。日前，中国又一研究项目取得首次突破。
12月8日，第六届天琴空间科学任务研讨会，在华中科技大学和中山大学联合主导下在武汉举行。国内外42所高校和科研单位的近300位学者参与了这次研讨会。会议公布了“天琴计划”科研团队已经多次成功实现地月距离的激光测量，并且在国内首次获得月球上全部5个激光反射镜的回波信号。
激光测距技术涵盖了望远镜系统、光路系统、光子探测系统以及其他辅助系统，是一项涉及多学科领域的复杂的精密技术。要完整地掌握这一整套技术十分艰难。日本和德国是公认的科技强国，其科技研究和生产制造水平在很多领域都处在世界前列。但是，这两个国家都无法做到准确的激光测距。在中国之前，仅仅美国、俄罗斯、法国和意大利可以做到这一点。
能够进行常规激光测月的只有法国格拉斯测站、意大利马泰拉测站和美国的阿波罗测站。现在，中国的“天琴计划”珠海激光测距台站，也能完成这一任务。
最初的地月激光测距，只能测量月面漫反射回波，测量精度十分有限。后来在1969年，美国阿波罗11号飞船载人登月成功，在月球上放置了一个激光后向反射器阵列Apollo11，并且又陆续放置了Apollo14、Apollo15两个反射器阵列，前苏联同样放置了Luna17、Luna21两个反射器阵列。
这样，月球上共有5个激光后向反射器阵列。各国激光测月都围绕着这些反射器阵列展开。在这一点上，美国和俄罗斯确实功不可没。
如果要想准确测量地月距离，那么必须能得到至少4个反射器阵列的月球回波信号。因为，任何单一的月球回波信号，若受到太空中众多因素的影响，则会产生较大的误差。
早在今年6月8日，中国首次测到了Apollo15的信号。然后，在8月，测到了Apollo14信号。到11月7日，首次得到了全部5个目标的回波信号。至此，已经可以准确测算出地月距离。这意味着，中国在光、电、望远镜系统方面取得的成就已经今非昔比。
准确的地月测距对太空探索具有重要的意义。它将涉及到人类对天文地球动力学、地月系动力学、月球物理学以及引力理论验证等诸多学科的研究。人类在地月测距过程中就发现了一个十分有意义的现象，月球正以每年3.8厘米的速度离地球远去。
虽然，月球离开地球的速度很慢，以至于可以忽略不计。但是，这却带来一个重要的科学课题，那就是什么原因导致这一现象的发生，月球远去的速度会不会增加？
5、火星和月球研究纳入国土资源“十三五”科技规划
据报道（20161009），月球微型钻机，1∶250万月球地质图，“十二五”期间，中国国土资源科技工作曾经取得了一系列成果。步入“十三五”，国土资源部将科学研究重点放在了哪些方面呢？
近期发布的《国土资源“十三五”科技创新发展规划》中提出，要在“十三五”期间，继续推进极地与行星地质研究。与此同时，要以深地、深海、深空为主攻方向和突破口，构建向地球深部进军、向深海空间拓展和深空对地观测的国土资源战略科技新格局。
据了解，极地研究包括极地地质、极地地球物理勘探等科学探索．这是“入地”。与之相对的，行星地质研究就是要“上天”了；其研究内容包括开展火星和月球试验场建设研究、“地－月－火星”对比研究等。地质研究为何还要“上天”？如此复杂的“上天入地”将如何实现？
近期发布的《国土资源“十三五”科技创新发展规划》提出，推进极地与行星地质研究，包括加强极地能源和生态资源、冰钻技术、冰芯中的微生物学等极地科学探索；开展火星和月球试验场建设研究、“地－月－火星”对比研究；组织月球与火星地质编图等内容。
地质研究为何还要“上天”？中国地质调查局有关负责人表示，月球是地球唯一的天然卫星，火星与地球同为行星，要深入研究地球系统，离不开对月球、火星的研究。
在“十二五”期间，中国国土资源科技工作取得了一系列成果。例如，月球陨石定年研究；自主开发了月球微型钻机；月球重力场研究编制了首幅1∶250万月球地质图（虹湾幅）；地球南极普利兹湾－北查尔斯王子山基础地质研究编制了第一幅南极板块高精度三维地壳和岩石圈结构图等。
刘晓春就是地质力学研究所地球南极地质研究团队的成员之一。他介绍，他们在这里发现了第一块南极陨石，从而拉开了南极陨石收集的序幕，为中国成为继日本和美国之后的第三大南极陨石拥有国作出了贡献。他们在南极成功地布设了天然地震台站，首次绘制出了整个南极板块的三维地壳和岩石圈结构图，向全世界清晰地展示了南极大陆及附近海域的深部结构特征。
据了解，在“十二五”期间的研究成果，为本阶段的研究打下了坚实的基础。相关领域目前已经开展了月球遥感地质、月球重力场、月球编图、火星实验场对比选址、微型钻机的研究等工作。本次，国土资源“十三五”科技创新发展提出了哪些创新研究？
国土资源“十三五”科技创新发展的“上天入地”还不止于极地与行星地质研究。《规划》明确指出，“十三五”期间要以深地、深海、深空为主攻方向和突破口，构建向地球深部进军、向深海空间拓展和深空对地观测的国土资源战略科技新格局。
⑴、向地球深部进军
地球深部有什么？为何要向地球深部进军？国土资源部部长姜大明表示，地球深部蕴藏有绝大部分的资源和能源。有学者研究认为，如果中国固体矿产勘查深度达到2000米，那么探明的资源储量可以在现有基础上翻一番。另外，中国城市地下空间开发不足。无论是解决中国能源资源需求还是开拓地下发展空间，深地探测都是国土资源战略科技的不二选择。
⑵、向深海空间拓展
姜大明介绍，地球上海洋接近90%的面积是水深超过1000米的深海。深海蕴藏着丰富的油气、矿产、生物等战略资源。专家估计，全球未来油气总储量40%将来自深海；未来替代能源“可燃冰”也主要来自深海。深海更是研究解决生命起源、地球演化、气候变化等重大科学问题的前沿领域。因此，要向深海空间拓展。
⑶、深空对地观测
什么是深空对地观测？姜大明把它比喻成是：先窜出地球，然后扭头，回看地球。
姜大明表示，其目标是，到2020年，国土资源领域发射21颗业务卫星、6颗科研卫星；整装建成技术先进、功能互补、协同作业的国土资源业务卫星观测体系；健全国土资源卫星业务应用系统，实现卫星数据即时推送、处理和业务应用；推动深空对地观测在国土资源、海洋管理、测绘地信、防灾减灾领域进入世界前列。
2019年12月19日编写于重庆
2020年1月13日修改于重庆
2022年3月31日修改于重庆
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