中国有能力实施太阳系探测 ——专访探月工程首任首席科学家欧阳自远院士

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欧阳自远，中国科学院院士、发展中国家科学院院士、国际宇航科学院院士，著名天体化学与地球化学家，中国月球探测工程首任首席科学家。他长期从事地外物质、月球科学、比较行星学和天体化学研究，是我国天体化学领域的开拓者。月球探测工程立项后，欧阳自远院士积极参与并指导中国月球探测的近期目标与长远规划的制订，具体设计国内首次月球探测的科学目标与载荷配置，以及探月二期、三期的方案与科学目标，为探月工程的成功实施做出了贡献。在中国航天事业创建60周年之际，《中国航天》杂志对欧阳自远院士进行了专访。
记者您是我国月球探测工程的首任首席科学家，参与了我国月球探测规划的制定和实施。请您谈谈我国探测月球的意义和重要性。欧阳自远        1957年10月苏联发射了第一颗人造地球卫星，宣告人类进入了空间时代。1958年，苏联和美国就开始探测月球；1961年，竞相发射火星探测器。这是两个超级大国为了空间霸权的争夺，是一场政治军事上的激烈竞争，同时也有争夺地球以外的资源、战略地位等的需要。1957～1960年，我正在攻读研究生，听到这些消息很振奋。我觉得除了把地球研究好之外，还应该研究月球、火星。那个年代，我们国家一穷二白，没有经济基础，也没有相应的科技队伍和技术能力，卫星的研制工作都还没有开始。但是我想我们国家迟早会走上航天这条路，为了尽早迎接中国空间时代的到来，我应该做一些准备，对这个领域多做一些了解，将来国家需要的时候，我们能够很快地进入到这个领域。        那么靠什么来了解月球、火星呢？可以在地球上找天上掉下来的陨石（包括月球陨石和火星陨石）。当时国内还没有人研究这个领域，于是我开始不断地收集陨石并进行研究。陨石的化学成分、矿物组成和形成演化过程与地球上的岩石存在很大不同，能够提供有关太阳系及地球起源的很多信息。1978年，美国卡特总统派遣他的国家安全事务顾问布热津斯基访华时将阿波罗号飞船带回来的一块月球样品送给了中国，我有机会能够对这块仅有1克重的月球样品进行了详细的研究。另外，还查阅了很多国外月球和火星探测的资料。我坚信中国总有一天会探测月球。        究竟探测月球的意义在哪里？为什么中国一定要具备去月球的能力？首先，从技术层面来说，离开地球到另外一个天体上去，这种技术上的跨越是很大的。我国发射了100多颗卫星和航天器，但是没有离开过地球，全部环绕地球运行。正如齐奥尔科夫斯基所说，人类居住在地球上，地球是人类的摇篮，人类终将长大，离开自己的摇篮。中国人没有离开过地球这个摇篮，我们必须冲出地球，这在技术上提出了很多新的要求，从而推动新技术的发展。第二，月球上的很多科学问题至今还没有得到答案，在科学上留下了很多空白，需要我们去探究。第三，月球是离地球最近的天体，到底对我们人类有多大的意义呢？不谈军事上的战略意义，从资源的角度来看，为什么那么多国家要探月？主要一个原因是如何开发利用月球的资源和能源，特别是氦3的资源量可能能够解决地球上万年的能源需求；月球的特殊环境是开展天文观测、监视全地球的环境变化、研制生物制品和生产新型材料的极佳场所等等，这些都是各国共同追求的目标。中国人不能对此置之于身外而不顾，而是要积极地参与。        月球探测仅仅只是一个起步，把这第一步做好，我们还要飞得更远。美国、俄罗斯都已经探测了金星、火星、水星、木星、土星等，探索太阳系是世界发展的潮流，中国的科技也应该朝这个方向发展，并做出中国人应有的贡献。研究清楚太阳系的其他行星，就能更加清楚地了解地球，最终是要回归到地球上来，如何把我们的地球建设好，能否将太阳系其他行星进行改造，变成第二个地球，规划好人类的未来。记者嫦娥一号卫星科学目标与工程目标是如何确定的？欧阳自远        1992年载人航天工程立项，中国的卫星和火箭技术有了很大的发展，使我们有能力到月球上去。探月工程的论证经历了10年时间，进行了必要性和可行性论证，发展战略和长远规划论证，首次月球探测的科学目标、有效载荷配置、工程技术方案与研制总要求等论证。探月工程与其他卫星工程不同，除了技术上可以实现以外，还要制定明确的科学目标：到达月球后应该干些什么，能够获得哪些科学成果。因此，探月工程有两个目标，即科学目标和工程目标，两个目标相互结合，工程目标可以使科学目标得以实现，科学目标又会向工程目标提出更高的要求。        嫦娥一号的工程目标，首先是发射一颗绕月卫星，全面探测月球；第二是把月球探测基础设施建好；第三是培养一支科学技术队伍。嫦娥一号的科学目标，首先是绘制一张目前世界最好的全月球影像图和三维立体图。还要探测全月球表面的化学成分、矿物组成与岩石类型以及近月空间环境。虽然美国、苏联以前做过这些基础工作，但是我们还是要做，做到最好。月球上有两种能源。一种是太阳能，如果能够利用好，可以解决人类子孙万代的能源问题。另一种就是氦3，据理论估计，能够解决人类社会一万年的能源需求。应该采用什么技术和方法来实现，我们做过很多次讨论。因此，嫦娥一号卫星的一个科学目标就是探测月球土壤中氦3的资源总量。记者目前，月球探测工程“三步走”战略已实现前两步。通过嫦娥一号、二号、三号探测月球获得的科学数据，我们对月球有了哪些重要的新认识？欧阳自远        20世纪第一次月球探测高潮期间，美苏两国对月球进行了108次探测，美国航天员6次登上了月球，共采回381.7千克月球样本，苏联采用机器采样，3次一共带回0.3千克月球样本。几十年来，全世界众多科学家研究月球，每年召开一次月球与行星科学的国际会议，对月球进行了非常细致的研究，要想研究出新的东西还是相当困难的，我们又是后来者，但是不管怎样，总要有一些新的认识。        嫦娥一号有几个方面做得好：首先，我国的全月球影像图和三维立体图，实现月球表面全覆盖没有任何缝隙，其他国家没有做到这种程度。第二，对月球表面成分的探测，能探测十几种化学元素、各种矿物和岩石类型的含量与分布，也是目前做得最好的。第三，近月空间环境探测也很全面。特别是在国际上第一次探明月球表层月壤中氦3的分布和资源总量。        嫦娥二号原本是嫦娥一号的备份，6个月完成近月空间的全部探测任务，绘制了全月球7米分辨率月球影像图与三维立体图，图幅比一个足球场的面积还大，在图件的空间分辨率、影像质量、镶嵌精度、数据一致性和完整性方面均优于国际同类产品。其他各项探测目标在嫦娥一号的基础上都有很大的提高和进步。嫦娥二号完成任务后，飞往日-地拉格朗日L2点监视太阳活动235天，取得了系统性成果。然后飞越地球700万千米与“战神”小行星交会，相对速度10千米/秒，与小行星最近距离不超过1千米，拍下了小行星的清晰照片，获得了它的表面形貌、体积大小、表面特征、自转周期，飞行轨迹等参数。嫦娥三号降落在月球表面，开展了“巡天、观地和测月”等开创性的工作。第一，在月球上看天文，称为巡天，这是人类第一次在月球上用天文望远镜观察星空，发现有很多光变恒星；第二，全视域监测地球等离子体层的大小、结构和离子密度变化，可以观测地球的环境变化；第三，月球车上有一台雷达，探测月球内部的分层，这些探测在国际上都是第一次开展。
记者美国人已经在几十年前就登上了月球，您认为我国还有必要实施载人登月吗？为什么？欧阳自远        对于这个问题，国内一直都有争论，我的观点是中国应该实施载人登月。美国人确实在几十年前就登上了月球，而且在月球上，不可能进行大量移民，建立月球城市。载人登月的目的，除了有很多科学上的价值，会开展很多新的实验项目之外，还能够为载人登火星做充分的技术准备工作，比如运载能力、交会对接技术、从月球返回的技术，这些都是挑战。月球距离地球近，即使出现问题，回到地球也比火星容易，而在火星上如果发生事故，返程就不容易了。从未来的技术发展来看，载人登陆月球毕竟跟机器人不一样，具有主动性，比如埋设仪器、建立月球工作站，等等，这些都是需要人在月球上的活动。记者除了探测月球，我国还有哪些太阳系探测规划？欧阳自远        对于太阳系探测，我们有一系列规划，制定了太阳系探测的科学问题与科学目标。针对中国的现实情况，对于太阳系探测，不可能对每颗行星探测，需要做选择。第一个选择当然是火星，这也是各国的首要目标。火星是地球的姐妹，很多特征与地球很像，一年有春夏秋冬，有大气、海盆地、湖泊河流等丰富的地形地貌，只是火星表面没有液态水。探测火星最吸引人的首先是考察火星是否存在生命，另一个科学目标就是探测火星地下水分布情况。        现代火星可能没有生命活动的迹象。中国的科学家通过Tissent火星陨石系统的精细研究，发现火星陨石中的碳颗粒来自与生命有关的有机质，证明火星曾经有过生命，该项成果于2015年12月2日在欧洲发表。2015年12月16日，美国的好奇号火星车在火星钻孔取样的岩石中发现由生命有机质来源的碳颗粒，也表明火星曾经存在过生命。那么到底是什么生命呢？这是科学家想考察的目标。        还有火星自身的一大堆科学问题：磁层、电离层、大气层、表面地形地貌、地质构造、内部结构、起源和演化等科学问题没有解决。我们之所以想更多地了解火星，主要原因是希望能改造火星，使它变得适合人类居住，以便能够大量移民到火星，使之成为人类赖以生存繁衍的第二个栖息地。中国的火星探测计划分两步，第一步是全面探测，第二步是采样返回。        第二个探测目标就是小行星。目前，地球周围的近地小行星有一万多颗，这些小行星大小不等，对地球形成了严峻的潜在威胁。研究小行星的主要目的是为了研究规避小行星撞击地球的可能性和人类开发利用特殊小行星的可行性。我们计划连续探测3颗不同类型的小行星并取样返回地球。        第三个探测目标是木星与木星系统。探测器将飞行七八年才能到达木星。它有63颗卫星，我们对其中的木卫二感兴趣。木卫二表面是冰，下面是海洋，海洋里有火山活动。科学家们推测木卫二的海洋深部可能存在生命。        另外，我们还想探测太阳。太阳的爆发及对地球的灾害性影响也是值得我们研究的。太阳为什么爆发、究竟对地球有多大影响等一些问题还没有弄清楚。现有的探测器都是在太阳的赤道平面上飞行，我们想让探测器绕太阳的南北极飞行。        目前，这些都是未来的规划，已列入探测计划的是火星。太阳系探测是一个长期的任务，中国一定会一步步对太阳系进行一系列的探测，绝对不会止步于月球。必须制定明确的探测目标，使得到的科学回报最大化。
记者您是地质专业出身，是什么机缘巧合让您与航天结缘？欧阳自远         从1952年上大学开始，我一直从事地质专业，研究地球是我的本行。虽然这么多年来，我研究各种陨石，并收集国外的深空探测数据和资料，其实我并没有改行。为什么这么说？太阳系八大行星，地球是其中的一个，火星、金星、水星都是这个家族的兄弟姐妹。这些行星有太阳系形成时候留下的共同的基因；同时每一颗行星与太阳所处的相对距离不一样，环境不一样，形成后的演化历程不一样，因此形成各自的特性。如果要把它们的共性归纳出来，以什么为参照呢？当然是地球。只有把地球研究清楚了，再去研究月球、火星就比较容易了，知道应该研究磁层、电离层、大气层，地形、地质构造和内部结构的特点，是否有海洋河流湖泊等等，这些地球科学的问题都可以拿来研究火星等其他天体，而且在火星上的答案是不相同的。我们研究火星实际上是用对地球的科学认识和科学理论来研究地球的兄弟姊妹，同样是研究地质，只是换了地点，从地球换到了火星。所以对地球上提出的科学问题跟在月球、火星上提出的问题是一样的。        地球科学家研究月球、火星，是自身专业的延续。有了对地球的全面了解，当然知道如何研究月球、火星，这称为比较行星学，研究行星要跟地球做比较，把地球作为一个标准。研究行星的演变，40亿年前、30亿年前、20亿年前都是如何演变的，这些都是地质问题，不是航天问题，是将地球科学的研究任务推演到各个行星上去。国外研究行星探测的科学家也都是我的同行，这是科学的需要，都是地质学家需要研究的问题。我之所以与航天结缘，是因为只有借助航天技术才能够实现我的梦想，才能够让我获得行星的研究数据，同时为了实现我的梦想，我会向航天技术专家提出更高的要求，从而使我的研究工作越来越深入而且广泛。

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本文刊登于《中国航天》杂志2016年8月刊，转载须注明！