出品：新浪科技《科學大家》 墨子沙龍
歐陽自遠：中國科學院院士、發(fā)展中國家科學院院士和國際宇航科學院院士，我國隕石學與天體化學領域的開創(chuàng)者。現(xiàn)任中國科學院地球化學研究所研究員，國家天文臺高級顧問。
1993 年以來，主要從事中國月球與深空探測的近期目標與長遠規(guī)劃的制訂，設計我國首次月球探測的科學目標與載荷配置和第二、三期月球探測的方案與科學目標，是中國探月工程的首任首席科學家，現(xiàn)為月球探測領導小組高級顧問。
歐陽自遠院士長期從事隕石學、月球科學、地球與行星科學研究 60 多年，成果獲國家科學大會獎、國家自然科學獎和科技進步獎多項、貴州省最高科學技術獎，中科院自然科學一等獎和科技進步一等獎、工信部科技進步特等獎、國家科技進步特等獎等。
（內容整理自墨子沙龍“向太陽系的星辰大海挺進”活動）
謝謝主持人的介紹，感謝墨子沙龍的邀請，很榮幸能參加墨子沙龍的活動。我今天要講的題目是向太陽系的星辰大海挺進。
大家看到這個題目可能覺得不對，我們現(xiàn)在總是說要向宇宙進軍，要揭開宇宙的奧秘，要進行星際的探測，但我還要是老老實實地說，現(xiàn)在人類的能力和水平只能向太陽系的星辰大海挺進。我大約分五部分，來介紹這里面的內容。
前言
人類自古以來深受神權影響，當時在歐洲最流行的地心學說，說的是所有的天體都圍繞著地球轉。太陽是繞著地球轉東出西落，整個宇宙都是繞著地球轉，地球是中心，這也符合上帝創(chuàng)世的傳說。
1543 年，哥白尼提出了日心學說，即太陽系的這些行星，都受太陽控制，一方面自轉，一方面繞著太陽公轉。這是一個革命性的發(fā)現(xiàn)，也帶來了科學的蓬勃發(fā)展，讓我們從此對整個太陽系的認識走向了一條正確的道路。
日心說被證實后，大家就要研究整個宇宙尺寸、歷史等。從哥白尼以來的 500 來年，經過科學家們的不懈的努力，我們認為宇宙在大約 138 億年前有一次大爆炸，形成了千千萬萬個星系，而現(xiàn)在宇宙可見的半徑大概有 460 億光年。
宇宙的年齡大約 138 億年，宇宙大爆炸形成了千千萬萬個星系。宇宙可見半徑為 460 億光年。宇宙是所有時間、空間與其包含的內容物構成的統(tǒng)一體。
宇宙形成了千千萬個星系，我們居住的星系叫銀河系，中國古代叫天河。銀河系只是宇宙千千萬個星系當中的一個，直徑大約有十萬光年，也是非常龐大而浩瀚的。
一條天河上面有很多星星，“天上的星星亮晶晶”。因為天上的星星自己可以發(fā)光，所以才能被看到。銀河系里有那么多星星，我們的太陽是千千萬個星星當中的一個，現(xiàn)在已經知道銀河系里大概有 2000 億個“太陽”，我們的太陽是其中一個，在銀河系的一個懸臂上。這 2000 億個“太陽”中，每個“太陽”都管了一串行星。我們所在的地球，也只是太陽系管轄的八大行星之一。銀河系里的“太陽”，哪個“太陽”比較大，帶的行星可能就會比較多。在銀河系里 2000 億個“太陽”里，我們所在的太陽系是銀河系里面普普通通的一個。所以即使以銀河系的尺度來看，我們都是滄海一粟，所以以人類現(xiàn)在的探測能力，只能探測到太陽系。
1977 年，美國發(fā)射了兩個探測器，叫旅行者一號和旅行者二號。到今天飛了 44 年，這 44 年一直以第三宇宙速度，每一秒鐘飛 16 公里，這速度看起來很快，但 44 年飛了多遠呢？就在下圖中弓形激波旁邊，藍色三角形顯示的位置。而太陽系到底有多大呢？地球跟太陽的距離是 1 億 5000 萬公里，我們把它叫做一個天文單位，太陽系管轄的范圍有 10 萬個到 20 萬個天文單位，即 15 萬億到 30 萬億公里。那旅行者一號二號飛到哪了？只飛了 260 億公里。
1977 年發(fā)射的“旅行者 1 號、2 號”，飛行 44 年到達距離地球 260 億千米（~174 天文單位），到達太陽系半徑的千分之一。
我們太陽系的鄰居，正式名稱叫半人馬座阿爾法，中國人叫它比鄰星，天涯若比鄰的意思。太陽跟比鄰星的距離，有 15 萬億到 30 萬億公里。那么旅行者一號、二號只飛了太陽系半徑的千分之一。所以假如從地球上發(fā)射探測器，以現(xiàn)在人類的技術水平，大概要三萬年才能夠飛出太陽系到半人馬座，比鄰星管轄的范圍。所以以現(xiàn)在的能力，我們根本出不去。
旅行者一號、二號是國際上非常有名的探測器，他們開始以為路上一定能夠碰見外星人，所以錄了一些光盤，一邊飛一邊放出來，向外星人問好。另外挑了一些非常好聽的樂曲，比如我們中國的“高山流水”也被挑進去了，希望外星人喜歡我們地球人類的音樂。但飛了 40 多年了，現(xiàn)在還在太陽系里頭。
下圖在太陽的旁邊的是八大行星，太陽系外面還有更浩瀚的奧爾特云，要飛三萬年才能飛到。太陽系有八大行星，而我們去年才去火星，所以我們現(xiàn)在人類的探測只是行星際之間的探測，還要幾十年才慢慢地飛過這八大行星，還要上千年、上萬年，才能飛出太陽系。所以我老老實實地說，我們人類現(xiàn)在深空探測的任務，就是要探測行星際空間的太陽系。
太陽系的半徑 10-20 萬天文單位，15-30 萬億千米，大約 2—3 光年。飛行器以第三宇宙速度飛行（16.7km / s），至少需要 3.2 萬年才能飛出太陽系的邊界。
這幾十年以來，科學家們也想，銀河系里 2000 億個太陽，應該也會有另外一個地球，也會有外星人和高度發(fā)展的文明？所以這幾十年以來，科學家們發(fā)射了一系列太空望遠鏡。我們去不了，但是望遠鏡可以看見，就可以去尋找，有沒有哪個“太陽”的哪顆行星像我們的地球，它的大小、與太陽的距離跟我們差不多，有沒有可能培養(yǎng)出物種，甚至出現(xiàn)智慧生物，建立高度的文明。
科學家抱著極大的期望，發(fā)射了那么多的太空望遠鏡，著名的有哈勃望遠鏡、開普勒望遠鏡等等。經過這幾十年的努力，在銀河系里找到了 700 到 800 個比較像地球的行星。那上面是不是有外星人呢？這雖然引起了科學家極大的興趣，但是很遺憾，距離地球太遙遠了，無法進行探測。比如開普勒找到了地球的一個表兄弟，或者叫“2.0 版”的地球 —— 開普勒 186f。它離我們地球有 500 光年。也就是我們用望遠鏡看到它的形貌，是他 500 年前的情況，光從它那兒傳到地球要經過 500 年的時間。
Kepler-186f 距離地球~500 光年（對應于明朝中期）；有些類地行星相距 1800 光年（對應于漢末三國時期）
我們現(xiàn)在人類的技術飛一個光年大概要一萬年，光每秒鐘 30 萬公里，而我們的探測器一秒鐘十六七公里，速度差的太遠了。俄羅斯有一位科學家齊奧爾科夫斯基（1857—1935），他的墓志銘上說，“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠生活在搖籃里。開始，他們將小心翼翼地穿出大氣層，然后便去征服太陽系”。應該說，從他逝世到現(xiàn)在 80 多年了，他的預言是非常正確的。1957 年，蘇聯(lián)發(fā)射了第一個人造地球衛(wèi)星，宣布了人類空間時代的到來。令人更沒有想到的是，1958 年美國和蘇聯(lián)兩個超級大國去探測月球，實現(xiàn)了人類飛離地球、開展深空探測、去月球探測的夢想。緊接著，1960 年蘇聯(lián)發(fā)射了火星一號探測器，美蘇又去探測火星。我們的每一步都相差他們大概半個世紀。
更沒有想到，1961 年蘇聯(lián)加加林上天，而我們的楊利偉同志是在 2003 年上天。發(fā)展更快的是美國。1969 年，阿姆斯特朗搭載美國的探測器著陸在月球上，實現(xiàn)了人類第一次著陸。有兩位航天員，一個是阿姆斯特朗，一個是奧爾德林。阿姆斯特朗說，“這對我個人來說是一小步，而對人類來說是一大步”。而我們國家是一位后來者，但我們要加快步伐，有自信一定要實現(xiàn)月球探測、太陽系的探測。
當代的太陽系探測：月球探測是起點，火星探測是熱點，小行星探測是亮點，行星際穿越探測是難點！
月球探測是起點
深空探測指的不是繞著地球的衛(wèi)星、空間站等，這些不屬于深空探測，而屬于近空探測，因為它離地球太近了，四五百公里距離。而深空探測的最低限度要到月亮，38 萬公里，所以月球探測是起點。在 1957 年，蘇聯(lián)發(fā)射了第一個人造地球衛(wèi)星，引起了全球的震撼，這是空間時代到來的標志。
而 1957 年，我剛剛大學畢業(yè)不久，學校分配我去考副博士研究生。我們國家要工業(yè)化，一定要找到資源和能源，而工業(yè)化最重要的是鐵和銅。但 1957 年的時候，我們年輕的共和國成立也還不到十年，百廢待興、一窮二白。我們當時沒有能力發(fā)射地球衛(wèi)星，更沒有能力沖出地球，進入太陽系的空間。即使在這個時候，我們國家也很有遠見地成立了很多龐大的、航天相關的公司和集團，比如后來的中國航天科技集團、中國航天科工集團，以及中國電子科技集團等。一個個集團的相繼成立，說明國家下定決心一定要發(fā)展高技術。
我們國家的大方向抓得非常對。在 1970 年我們也發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，可以發(fā)射導彈、火箭、衛(wèi)星，慢慢也可以發(fā)射飛船了。我們逐步加快速度，去追趕那些航天大國。
首先要解決探月技術問題，這是個根本，解決別人對中國人能力的質疑。但是去月球干什么？月亮上有什么科學問題？探索月球對人類究竟有多大的意義？這些問題都要進行嚴肅的討論。
我發(fā)現(xiàn)當時沒人論證、準備這些問題，在這種情況下，我就說那我來考慮一下。我是學地質的，對地球比較了解。地球、火星等八大行星都是太陽系的兄弟姐妹，是一個家族的。在了解了地球之后，就可以基本知道他的兄弟姐妹有哪些基因。雖然他們每個人生存的環(huán)境、地位不一樣，每個人的個性也有不同，火星是這樣，金星是另外一個樣子，而水星又有一番樣貌。但是我有地球科學的基礎，再了解一些其他幾顆行星，就能夠知道到月球上該干什么，到火星上該干什么，能得到什么。
所以當時，我想應該怎么下手去做呢？最后找到了一個辦法，從太陽系的起源開始考慮。太陽系是在銀河系里面的一團星云慢慢地運動凝聚起來，最后形成了八大行星和整個太陽系。太陽系可能只是第一代，第二代甚至第三代星云，并不是最早形成的。宇宙有 138 億年的歷史，而太陽是 50 億年以前誕生的。四周的塵埃、氣體，都繞著太陽轉，而如今這些塵埃氣體呢？太陽年輕的時候火力很盛，而且溫度很高，把星云里面的那些塵埃顆粒，都給融了。融掉以后，它們慢慢的在不同的軌道聚集起來，形成了現(xiàn)在的八大行星。
太陽系的形成過程。球粒隕石是形成太陽系的原始物料。
所以我找到了形成太陽系最原始的東西，這個東西叫什么呢？叫球粒隕石。太陽系在星云里把這些塵埃都融了，然后慢慢冷下去，這些像水珠一樣的東西慢慢結晶出來，在顯微鏡下可以看到一個個的小球。這些是組成地球等行星的原始物料。我要從根本上看看它們是些什么東西，有什么成分，是怎么形成的。有了這一步，好了，最后八大行星都是由這些東西組成的。
我也測出了那些球粒隕石的年齡，大約是 46 億年。在 45.5 億年或者 45.6 億年前，地球才開始從胚胎慢慢演化。這些東西組成現(xiàn)在行星。另外還有一些更小的碎塊，也慢慢匯集起來，就在太陽系里面分布著大大小小的多極，我們叫做小行星。這些球粒隕石碎塊聚集起來后，因為含有很多放射性元素而產生很高熱量，小行星被融化了。類似煉鋼爐里，重的物質往下沉，輕的往上浮。我們的地球、月球也經歷了這樣的過程。
46--45.5 億年，太陽系行星形成
結果所有的小行星、月球、地球，它們的核心部分叫鐵鎳核心，是比較沉的物質，沉在化鐵爐的底部，而上面的爐渣全是石頭。所以，每一個小行星、衛(wèi)星、行星，都經過這樣的分異，把這些天體變成好多層。假如一個小行星被撞碎，它的核心部分形成的隕石就是我們后來找到的鐵隕石；靠外側的部分，有石頭、有鋼鐵形成了石鐵隕石；最外面只有石頭的部分，形成了無球粒隕石。
所以我就開始研究降落在中國的各種類型隕石。一種就是鐵隕石，這種鐵隕石的結構剖開后有一種花紋，這種花紋，是現(xiàn)在的冶金學家做不出來的。因為它的爐子是 100 萬年一度、經歷上億年的冷卻，最后凝固成為合金。這是天然煉出來的合金，人類無法仿制，這是鐵隕石的特點。
隕石是空間探測研究進門的一個很重要對象。從 1958 年，我就開始研究我們天上掉下來的各種各樣的隕石。最有名的就是 1976 年，吉林降落了一次隕石雨，那是球粒隕石，是最原始的隕石，也是世界上規(guī)模最大的。著陸的時候，它通過大氣層高速沖進來，一大塊碎成了三個大火球，往最前沖，最后很多碎塊噼里啪啦地掉在地上，降落在吉林市的北郊，分布面積大概 500 平方公里。當時國家組隊，我?guī)ш犎タ疾旒蛛E石，發(fā)表了 100 多篇論文。
之后我就慢慢做各種各樣隕石的研究，開始了解月球、地球、火星最原始的物質是什么。后來這些物質融化再改變，會變成什么樣子，它的歷史我也可以大概知道。不用去月球，如果有一個小天體撞在月亮上砸了一個大坑，那些石頭就會被粉碎后拋出來，當然 99.9% 要降回到月亮上去，但總有一些逃離了月亮引力，在太陽系里面亂飛，有機會掉到地球上來。
現(xiàn)在人類已經找到了大概 400 多塊從月亮上掉下來的月球的巖石，300 塊從火星上掉下來的巖石。同樣的方法，我可以研究月球、研究火星。大家開始通過了解地球，從而推測月球的原始物質是怎么一步一步變成現(xiàn)在月亮上的樣子。
當時美國技術先進，可以派無人機飛到 40 公里的高空去收集太陽系的塵埃，當時那個地方的那些塵埃都叫宇宙塵埃。中國沒有這個技術，所以我們采取了另外的一個辦法。在 20 世紀 80 年代初的時候，中國可以造出特別大的高空氣球。大概有幾層大樓高，底下吊了一個吊籃，那吊籃就是收集器。首先讓它在北京放飛升空，放到了 37 公里的高空，一般飛機飛不了那么高，之后碰到西風帶，就把氣球就吹到太平洋，慢慢吹到了太平洋。之后開始拋沙，氣球就變輕，繼續(xù)上升到 40 公里的高空，和美國的無人機高度一樣。
我們也帶了很多收集器，也可以收集到高空的各種宇宙塵埃。從 1958 年開始研究，到 1978 年美國要與中國建立正常外交關系，雙方確認在 1979 年 1 月 1 號中美正式建交。為了準備好建交事宜，美國時任總統(tǒng)卡特命令他的安全事務顧問布瑞金斯基到中國來訪問，來商談具體事宜?？ㄌ乜偨y(tǒng)有兩樣東西讓他帶給中國領導人，一樣是一面書本大小的中華人民共和國國旗，并說，這是我們美國人把中國的國旗帶上月球又帶回來的。另一樣是一條有機玻璃，里面有一塊石頭，有機玻璃本體做成了一個凸透鏡，并說這是我們美國人從月球上采回來的樣品。這兩件珍貴的物品作為建交的禮品送給中國。
這面國旗是不是帶到月亮上又帶回來的無法考證，但這塊樣品，中國有沒有哪位科學家可以做做驗證，它到底是不是月亮的石頭??？于是中辦打電話問了高教部，說大學里頭有沒有哪位教授研究過月亮的石頭，回答是沒有一個人做過。
后來又問中國科學院，中國科學院也說沒人搞過。那怎么辦呢？后來中國科學院想起來，說這兒有一個研究員，專門研究天上掉下來的東西，是不是可以讓他來研究一下是不是月亮的石頭。當時就通知我們去領這塊石頭。領回來以后，我非常高興，因為有機玻璃是透亮的，可以直接看到里面這塊小石頭，大概有小拇指大小。
我組織全國相關的實驗室，包括核工業(yè)部、冶金部和中國科學院的同志，共同來研究這塊小石頭。我分了一半送給北京天文館，說你們好好展出，讓中國人也看看什么是月亮的石頭。
最后全國一共發(fā)表了 14 篇文章。后來美國 NASA 的官員遇見我說，歐陽，我們什么都沒講，結果你們全知道了，而且了解的比我們還多，你們還是有能力的。所以我也是這樣一步一步的，完成這些工作。我當時還寫了一些書，像《月球科學概論》，《天體化學》等等。另外也寫了一些科普書?？傊?，我們從準備工作，一步一步地克服各種困難，從 1958 年最后到 1993 年，準備了 35 年，培養(yǎng)了一支隊伍，建立了相關的實驗室。我們中國除了能夠到月球，火星以外，我們取回來的東西，也可以研究它的一些過程。
所以，我們向國家報告，中國現(xiàn)在可以去探測月球了。但國家說不行，你們要進行科學論證。我說要做什么論證？回復說，中國為什么要去探測月球，它的可行性怎么樣，它的必要性又是怎么樣？我們準備了一年多報告，結果 863 的評委說太好了，就中國有可能搞，而且有必要搞，完全可以搞成月球探測。論證通過后，國家還說不行，不能只發(fā)一次探測器，探測器發(fā)完后該怎么搞，你們還應該制定一個長遠規(guī)劃，分哪幾步完成月球探測。我們又準備了一兩年，做了各種調查，最后答辯的時候大家很高興，就按這個辦法，按這個規(guī)劃去做。
我們規(guī)劃的第一步是無人月球探測。這又分三小步，第一，發(fā)射一個月亮的衛(wèi)星，繞著月亮飛，飛一個月下來，月亮的一圈全看到，就能全面地了解月球。第二步叫落月探測。落下去對某一個重點地區(qū)進行精細的探測，可以解決更深入的問題。再下一步，取樣返回，這些都是不帶人的。
這些工作后來就被命名為嫦娥工程。嫦娥一號、二號是繞月探測，嫦娥三號、四號是落月探測，嫦娥五號、六號是取樣返回，都是無人探測。有了這個基礎后，載人登月、建設月球基地可以按這個基礎做下去。后來國家又說，第一次到月亮上去干什么，有什么科學問題，怎么實現(xiàn)這些探測任務？又搞了一兩年，就是研究中國月球探測的科學目標。我不懂技術，技術有專門的大企業(yè)去完成，我只負責其中的科學研究。后來成立了中國探月的領導小組，有欒恩杰院士作為總指揮，和孫家棟院士作為總設計師，又加了一個首席科學家，任命我去承擔這個任務。這樣我們三個人組成了一個集體，人們稱呼我們?yōu)殍F三角，就開始了嫦娥一號的探測。
中國探月工程的進展
2004 年國家批準了月球探測規(guī)劃，從無人探測到有人探測，再到載人登月、建設月球基地等等步驟，都獲得通過。這樣的話，我們的月球探測的進展比人家晚了四五十年，嫦娥一號 2007 年發(fā)射，是一個繞月的衛(wèi)星。當時制定了嫦娥一號的科學目標，每一次月球探測，都要放一些特殊的儀器上去。另外我們比別人晚去了幾十年，有好多活人家都干過，比如月球的全月球地圖、立體圖，人家干過好多回了。不管怎么樣，因為我晚去所以要比你做得好才有意義。另外，月球表面有哪些礦物、有什么資源、怎么分布等等，人家也做過了。我們也要做這個，這是探測的基礎，是任務的保底，但我們要比別人做得好。另外，要測地月的空間環(huán)境，我們也有新招，但是我總有一兩樣你們誰都沒干過，這是中國的創(chuàng)新。我們嫦娥一號完成了一個艱巨的任務，看一下月球土壤里頭有多少氦 3，這是人類從來沒有測出來過的。
氦 3 有什么價值呢？現(xiàn)在人類的能源主要是煤、石油這些化石能源，還有各種各樣的清潔能源，像水力發(fā)電、太陽能發(fā)電等。而核裂變發(fā)電已經出了好幾次大事故了。下一步人類的一種終極能源，是研究太陽的核聚變能源。100 多年以前，人們搞不清楚，憑什么太陽每天都光芒萬丈？后來知道了，太陽上一直在進行大規(guī)模的長時間的氫彈爆炸。人類在世界上造出了氫彈，這是人類當前最大的殺傷性武器。現(xiàn)在人類意識到，未來人類的終極能源是利用氫彈爆炸這種方式來產生能源，叫核聚變發(fā)電。這個聚變發(fā)電可以產生巨大的能量，用氫的兩個同位素，氘和氚。但是氚在地球上的儲量不多，并且具有放射性。所以很想找一個東西替代氚。后來科學家們研究發(fā)現(xiàn)，氦有一個同位素叫氦 3 可以用來進行聚變。但地球上也沒有氦 3，氦 3 是太陽風給的，而月亮光禿禿沒有大氣，太陽風可以直接注入到月球表面的土壤里。
所以我猜月球表面月壤一定有很多氦 3。最后用專門的儀器探測出來，全月球的氦 3 資源，大概有 110 萬噸?？雌饋頉]多少，只有 110 萬噸。相比之下，中國現(xiàn)在每年消耗石油 3 億噸，煤 20 幾億噸。這些能源都是按億噸來算，你才百萬噸。但是假如核聚變發(fā)電能用上氦 3 的話，每年全世界的用量是 100 噸。月亮現(xiàn)在有 110 萬噸，至少可以解決未來人類一萬年的需求。所以嫦娥一號取得了很大的成功。這是我們做的最好的立體圖，正面、背面的全部成分。另外還有月球土壤里的各元素濃度、總量、分布，我們全做出來了。嫦娥一號發(fā)射后，緊接著在 2010 年發(fā)射嫦娥二號。嫦娥二號在一號的經驗上，直奔月球。
月球正面與背面月壤中氦-3 資源量的分布（10^-9 克 / m^2）。全月儲量約 103 ~ 129 萬噸。
嫦娥一號花了一年零三個月才完成任務。嫦娥二號大概半年全部任務完成，它飛得更低，做出來的圖分辨率最高。全月球的地形地貌的立體圖和平面圖的分辨率達到七米?，F(xiàn)在全世界都用中國的圖。另外呢，由于嫦娥二號僅用半年就完成全部任務，可以讓它干點別。后來剛好有一個小行星朝地球飛來，這是人類剛剛發(fā)現(xiàn)的，僅僅給它取了個名字，但是不知道它有多大、什么樣子、會不會對地球造成威脅。曾經因為一個小行星撞在地球上，導致了全球的生態(tài)環(huán)境的崩潰，滅絕了 100 多萬個物種，包括恐龍。而現(xiàn)在又有一個小行星來了，后來大家同意，走，去探測這個小行星去。因為小行星還沒到，所以第一步走到離地球 150 萬公里的地方，針對太陽監(jiān)測了 235 天，人類得到有史以來最豐富的太陽活動探測結果。
嫦娥二號全月球數(shù)字影像圖在空間分辨率、影像質量、數(shù)據(jù)一致性和完整性、鑲嵌精度等方面優(yōu)于國際同類全月球數(shù)字產品，是目前最高水平的全月球數(shù)字影像圖。
2011 年 8 月 25 日 23 時 27 分，經過 77 天的飛行，嫦娥二號首次實現(xiàn)從月球軌道出發(fā)，受控準確進入距離地球約 150 萬公里遠的、太陽與地球引力平衡點 —— 拉格朗日 L2 點的環(huán)繞軌道。第一次實現(xiàn)我國對月球以遠的太空進行探測；我國第一次開展拉格朗日點轉移軌道和使命軌道的設計和控制，并實現(xiàn) 150 萬公里遠距離測控通信。
嫦娥二號在 L2 點的環(huán)繞軌道運行了 235 天，積累了大量對太陽的探測數(shù)據(jù)，于 2012 年 4 月 15 日受控飛向距離地球大約 1000 萬千米深邃的太陽系空間，擇機開展對 4179 Toutatis 號小行星的探測，為未來的小天體探測積累經驗。
完成這個任務以后，小行星快要朝向地球飛過來了，我們命令嫦娥二號跟它見面。此時小行星距離嫦娥二號 1000 多萬公里。嫦娥二號大概要飛 1400 多萬公里，而且要給它一個嚴格的要求，即嫦娥二號與那個小行星見面的時候不能隔得太遠，不能超過一公里，以便能拍張清楚的照片。同時也要控制距離不能隔得很近，衛(wèi)星撞上去后就會撞碎了。這個太難了，從 1000 多萬公里的遠方飛近，讓兩個人在那兒見面，且間隔只能在一公里以內。最后，嫦娥二號做到了，我們的測控很準確，最后以 860 米的距離擦肩而過，拍下了照片。
2012 年 12 月 1 日 3 嫦娥 2 號在距離地球 702 萬 km 處與 4179 小行星交會。探測小行星的形狀、大小、結構等。相對速度 10.73km / s，交會距離 870m，最高分辨率 10m，小行星的大小為 4.46 X 2.4km
這個小行星像個花生。它的大頭的直徑是 2.4 公里。尺寸還是挺大的。如果真的撞上地球，是一次大的災難。最后嫦娥二號完成任務，現(xiàn)在它已經飛向遠方，在繞太陽飛行，成為一個人造小天體。我們一直在祝福嫦娥二號一路平安。大概 2029 年，它還要飛到地球附近，那個時候再跟它對話，聽它訴說沿途的艱難。
緊接著發(fā)射嫦娥三號，嫦娥三號要落下去，在 2013 年 12 月發(fā)射的。上面有一個月球車，沿著軌道走下來。它落下去的過程中，地球上沒辦法控制它，因為落下去的速度越來越快。如果控制不好，一下就會撞到月面上，撞得粉碎。所以我們采取的辦法是利用高度的人工智能，讓它往下飛，飛到 100 米高的時候停，讓它自己找個安全的地方落下去。在 100m 高度的地方，它會懸停拍照找地方降落，但這個過程它來不及把圖片發(fā)給我們，讓我們決定如何降落，一切只能由它自己的計算機判斷決定。它折騰來折騰去，拍了 1400 多張照片，最后自己選了一片區(qū)域落下去，四條腿扎實地落在一個平面上。
它為什么不能發(fā)給我們判斷？它發(fā)過來的信號要 1.3 秒才能到地球。等我收到這張照片，要看一下后選一個地形，朝左挪還是朝右挪，至少得十幾秒鐘，再告訴它又要 1.3 秒，它早掉下去了。所以它現(xiàn)在完全自主的，就在 100 米高轉來轉去，最后自個決定，平穩(wěn)地落下去。最后就安全地著陸在雨海海邊的一個海灣。那個海是伽利略取的名字，伽利略用望遠鏡看到一塊黑的區(qū)域，他以為那是月亮的海洋，但其實他錯了，那是巨大的平原，是火山噴出來的熔巖流覆蓋起來的結果。就是我們看到的那個像嫦娥、桂花樹一樣的一塊一塊黑斑，但那不是海洋，而是玄武巖流淌下來覆蓋的平原。安全落地后，著陸器上釋放了一個月球車，著陸器上有四臺儀器，其中有一臺望遠鏡，這是人類第一次在月亮上觀測天文。另外還有一臺望遠鏡監(jiān)視地球外面的各個層位，以便知道月球會發(fā)生什么，地球會發(fā)生什么樣的環(huán)境變化。
我們這個月球車叫玉兔一號，他在月面一邊走一邊探測，用照相機分析底下的土壤石頭的成分，另外還帶了一臺雷達，它一邊走一邊往下發(fā)射雷達波，這樣的話通過雷達波的折射反射，可以探測底下一共分了多少層。這都是世界上首次去完成的。最后嫦娥三號取得了大量的成果，我們就請求國際上批準，嫦娥三號著陸的地方命名為廣寒宮。另外，它外面還有三個大坑，我們用中國古代的 28 星宿的名字命名了三個。我們把廣寒宮也搬到了月亮上，這個國際上都要承認批準。所以月亮上現(xiàn)在有一個命名為廣寒宮的地方。
嫦娥四號的任務是著陸到月球背面。嫦娥之前，人類在月球上著陸 20 次 —— 美國有 11 次，蘇聯(lián)有 8 次。中國的嫦娥三號也著陸在月球的正面的雨海。嫦娥四號要著陸到月球背面。
什么叫月球背面？我們每天看到的月球，都是月亮的一半，誰都沒見過月球的另一半兒。月亮會自轉，月球自轉一圈跟繞著地球公轉一圈的時間相等，導致在地球上看月亮，永遠只能看到半邊，我們叫正面朝向。沒有人在月球背面著陸過，嫦娥四號是人類第一次著陸到月球背面去。下圖左邊是月球的正面，比較平緩，平原比較多。背面的山形比較高，地形陡峻，
此外，我們無法與月球背面的探測器通訊?？床灰娨膊荒芡ㄓ崳驗槿辉虑蛘鎿醯袅?。只有一個辦法，發(fā)射一個月球的衛(wèi)星到那個位置。那里叫拉格朗日 L2 點，它正對的是月球的背面，同時還能看到地球。這樣的話，可以把地球的指令轉發(fā)給月球背面，也可以把月球背面的情況及時地向地球匯報。所以我們把這個中繼星取名為鵲橋，就是牛郎織女見面的那個鵲橋。
中繼星“鵲橋”號運行于地月拉格朗日 L2 點，將地球與月球背面構成暢通的通信鏈路
這是 2018 年發(fā)射的，人類第一次著陸月球背面。我們不敢大意，因為到處都是高山峻嶺。我們直著奔下去，著陸在月球背面最大的一個撞擊盆地里。這個撞擊盆地的那個小坑呢，叫馮卡門撞擊坑，馮卡門是一位科學家的名字，他是美國加州學院的一位教授，也是錢學森先生在美國念書時候的導師。
為什么要落到這個地方去？因為月球的歷史有兩個非常重大的，幾十年以來都無法解決的問題，一老一新的問題。月球誕生 45 億年，但是月球所取到的東西、所進行的探測，看到的全是 40 億年以后的內容。最初的五億年月球發(fā)生了怎樣的演化，發(fā)生過什么事情，科學家們不知道，為什么？全被 40 億年后的活動覆蓋了。而月球背面的這個艾肯盆地里面的一個撞擊坑是 40 億年以前砸的，它一定把 40 億年以前的東西都給撞出來了，所以我有可能找到 41 億年、42 億年前的老月亮的歷史。它就降那兒去了，最后我們找到了古老的巖石。
嫦娥四號，解決了左邊紅虛線的任務，要找 40 億年到 45 億年的巖石，把月球的古老的歷史恢復起來，這是月球上一個最難的科學問題。同時，月球還有一個科學問題，現(xiàn)今所有的記錄，只到 30 億年以前，而 30 億年到今天，月亮經過些什么重大事件，并沒有真實的探測數(shù)據(jù)。所以嫦娥五號我們選的地方一定要有可能找到年輕的巖石，把月球的歷史重寫，把月球研究中一老一新的問題補充進去。
嫦娥四號就落在五角星所示的大盆地里。你看我們找到的這些石頭。另外，因為 10m 以上波長的電磁波在天文上屬于超長波的范疇，但卻是人類活動的常用頻率。地球上的電離層可以屏蔽掉這個波段的電磁波，因此在月球背面進行超長波探測能夠有效地屏蔽地球上民用設備的干擾，得到更好的觀測效果。
嫦娥四號任務后，我們又在國際上申報了取名。它著陸的地方叫天河基地。天河的正規(guī)叫法就是銀河。月亮上另外只有一個基地，叫靜?；?，做了重大的事件才取得基地的命名權力。靜?；厥前⒉_ 11 著陸的地點，而天河基地是人類第一次著陸到背面的基地。大家都知道，王母娘娘用編頭發(fā)的東西畫了一下，畫出一條天河來，把牛郎織女隔在兩頭，每年七月初七，牛郎織女才能見面一次。所以在天河基地的兩側，一個是織女坑，一個是牛郎坑，還有一個天津。剛好在那個撞擊坑里頭還有一座高山，我們用中國五岳中的首岳 —— 東岳泰山命名。所以命名了五個地點，這些在國際上被承認了。
緊接著，我們發(fā)射了嫦娥五號。嫦娥五號的目標，是要把樣品取回來。嫦娥五號到底落到哪兒去？我們想著能不能找到更年輕的巖石記錄。當時全世界的科學家有一個辦法，假設小行星撞擊月球的概率相等，但如果單位面積上的月球坑密度比較大，那這個地方一定比較老，砸的坑比較少，這塊地方可能年輕一點。但年齡到底多少卻無從知道，只能知道相對年齡。
全世界研究了好幾十年沒有辦法解決。最后，我們也做了研究，確定了那個風暴洋的西北邊，可能有新的隕石坑。嫦娥五號是去年 11 月 24 號發(fā)射的，嫦娥五號的技術太復雜了，要從地球發(fā)射落到月亮上，采完樣品又要起飛回地球。所以它兩次發(fā)射，兩次著陸，另外它還要自動交會對接到月面，還要打鉆取樣，帶回來 1731 克樣品。
回來的時候如果直接沖進地球，在大氣的作用下，帶的樣品倉會全被燒掉，所以我們采取了一個辦法，沖進來后控制它往上跳出大氣，再入大氣，就像小孩兒打了一個水漂，打進水里頭再冒上來。這個過程中樣品倉的速度就變慢了，最后落到內蒙古。就這樣，現(xiàn)在全部樣品在我們大樓底下的地下室，用一個非?，F(xiàn)代化的氮氣倉保管著 1000 多克的樣品。
我們國家做了非常精彩的工作，最近我們公布了嫦娥五號的樣品。我們花了大概二三十天，就在《自然》、《科學》，以及我國的《國家科學評論》等雜志上，發(fā)表了五篇文章。我們測出來的月壤年齡有些是 19.6 億年，有些是 20.3 億年，平均起來也就是 20 億年左右。
這是月球上破天荒的大事兒。之前，月球的歷史只記錄到 30 億年，現(xiàn)在居然能夠記錄到距離現(xiàn)在 20 億年的巖石，找到了那個時候火山噴出來的東西，證明那個時候月球還是活的，內部還有能量進行火山噴發(fā)，證明那時月球還沒有完全死亡。月球跟人一樣，有誕生、青少年的時候，也有老年老態(tài)龍鐘，最后死亡的過程。月球的死亡是指內部沒有了活力。月球一死，內部就沒有電流運動，導致它的磁場也丟了。
月亮以前跟地球一樣，有一個南北極的磁場，但現(xiàn)在也沒有了。月震也幾乎沒有了，有也只是很小的規(guī)模，火山幾乎也停止了。但到底什么時候停止的？原來說 30 億年，現(xiàn)在明確地說月球的生命可以延長到 20 億年前。我們對月球歷史的研究確實發(fā)揮了重大的作用。我們又在嫦娥五號著陸的地方取了八個名字，包括南岳衡山，西岳華山，以及中國古代的一些科學家的名字。另外也命名了一個基地，叫天船基地。這些全部被批準了。
總之，通過環(huán)月探測、著陸探測、月球車探測、月球取樣返回，我們積累了載人登月的經驗。所以到 2030 年，我們在基本上完成了不載人的月球探測任務以后，要逐步地建設月球科學研究平臺，擇機實施載人登月。先要建設沒有人駐留的基地，然后人再參與開發(fā)利用月球的資源。
我們中國剛一宣布這件事情，俄羅斯趕緊跟中國聯(lián)系，說中俄兩國要聯(lián)合建設，中國同意了。所以在今年 3 月 9 號，中俄宣布聯(lián)合建設國際月球科研站，并向其他國家開放。這樣的話，我們大約在 2036 到 2045 年間，建成一個綜合性的月球基地，實現(xiàn)人類長期駐留，全面地完成大規(guī)?？茖W探測任務和技術試驗任務，另外開發(fā)利用月球的資源。
到底月亮對人類有多大的價值和意義。早在 20 世紀 60 年代，時任美國總統(tǒng)肯尼迪，說誰控制了太空，誰就控制了地球?，F(xiàn)在美國人又說，誰控制了月球，誰就控制了環(huán)地球的太空。
另外，月球表面的能源非常豐富。比如說月球的太陽能，每年照射在月球上的太陽能，相當于我們人類每年產生總能量的 2.5 萬倍。因為它表面沒有空氣，白天的溫度 110 多度，晚上零下 190 度。所以假如能夠開發(fā)月球上的太陽能，將會有巨大的能量來源。很多科學家都在想，能不能在月球上建一些太陽能發(fā)電站，向地球傳輸能量。更有科學家設想在月球的赤道上建一根太陽能發(fā)電站的腰帶，大面積鋪設太陽能發(fā)電板，它轉一圈 11000 公里，寬 400 公里，讓機器人利用月球土壤去生產太陽能發(fā)電板。因為月壤與太陽能發(fā)電板的成分很類似，然后鋪設好，這樣就永遠有半根腰帶被太陽照射。所存積的能量，可以從月球上直接用激光或者用微波，發(fā)射到地球上來，地球接收站接收以后把它轉化為人類使用的能源。
月球上白天和黑夜都相當于 14 個地球日，可獲得極其豐富而穩(wěn)定的太陽能。通過激光、微波傳輸，地球上的接受系統(tǒng)通過地面天線接受能束，再將其轉換成電能。
有科學家詳細計算過，這根腰帶太長，整個轉一圈要 11000 公里，它工程太浩大。一邊建幾個太陽能電站就可以了，這樣的話有可能滿足地球全人類的需要。地球上以后利用月球的太陽能，這是最清潔，最環(huán)保的能源。另外剛才說了，月球土壤里面的核聚變原料氦 3 至少可以供人類未來用一萬年。
第三，月球的資源。月球確實有很多寶貴的資源，比如稀土。我們中國盛產稀土，但是月球上的稀土比中國多多了，還有鈾礦、釷礦，還有鉀肥。但是在月球上開礦成本太高了。我們現(xiàn)在都調查清楚了，月球上有哪些資源，分布怎么樣，有多少噸等。雖然含量很豐富，但利用前景不一定非常樂觀。
另外它的特殊環(huán)境，月亮的環(huán)境條件特別惡劣，第一沒有大氣，超高真空，第二沒有磁場，第三，月球上一個白天有半個月，一天就是一個月，月亮的一年只有 12 天。另外呢，月球表面白天的溫度 100 多度，晚上零下 190 度。這么惡劣的環(huán)境有它的價值，我們在地球上創(chuàng)造高真空的那個環(huán)境，絕對沒有月亮表面好。另外，月球上無磁場、弱重力的條件，對于生產一些生物制品、一些特殊材料，是最好的地方。
最后，月球也可以作為向太陽系更深處邁進的一個轉運站，因為月球的引力只有地球的 1/6。
火星探測是熱點
第三部分我講一下火星。人家 1960 年就去探測了，到今天為止，全世界一共發(fā)射了 51 個火星探測器，成功了 26 個，剛過一半，證明探測火星難度很大。不像月球一樣，所以月球探測是起點，火星探測是熱點?，F(xiàn)在我們中國也參加到這個行列中，我們中國的探測器叫天問一號。
火星探測主要有哪些問題呢？在太陽系里面，最可能有生命的其他行星是火星，因為他是地球的親兄弟，就在地球隔壁。火星曾經有過水等等證據(jù)表明，它一定孕育過生命。過去美國的大片里有火星人大戰(zhàn)地球人的橋段，很多科幻小說也都寫馬丁叔叔等等。很多人對火星上存在生命懷著極大的期望。直到現(xiàn)在，火星的生命探測仍然是一個熱點。這 50 來次，主要的目標是探測火星的生命，另外還有火星本體的科學問題，比如它的大氣很稀薄，只有地球大氣密度的 1% 左右。另外火星大氣層的成分也不好，主要是二氧化碳。另外它現(xiàn)在老態(tài)龍鐘，接近死亡了。因為他個兒小，能量少。所以地球目前還在壯年期，但火星很快會步入到死亡的狀態(tài)，只剩下一個軀殼。
此外，火星探測還想解決另外一個重大的問題。我們的地球也有很多潛在的威脅，科學家一直在思考，能不能把火星改造變成第二個地球，以后可以移民到火星上去。這樣我們人類有兩個棲息地，即使我們毀了一個，如說人類的核戰(zhàn)爭，也有第二個居所。
火星的探測過程中還有一個難點，月球探測一個月有一次發(fā)射機會，可以到達目的地。但火星探測兩年零兩個月才會有一次機會?；鹦歉厍颉⑻柕膴A角在四五十度的時候，此時在地球發(fā)射探測器，探測器沿著這條綠線飛行（霍曼轉移軌道），大約一億五千多萬公里，最終到達火星的軌道。因為探測器大約要飛七個月左右，才能飛到軌道的交匯點。所以，火星并不是任何時候能去。2020 年 7 月這一個月左右的時間剛好可以發(fā)射火星探測器，當時有三家發(fā)射，中國、阿聯(lián)酋和美國，都是在這個月發(fā)射。
天問一號在 2020 年 7 月 23 號發(fā)射，它最大的特色是什么？有兩個，一是有一個載著火星車的著陸架，一起著陸在火星后這個著陸架就作廢了，火星車就在火星表面一邊走一邊探測，叫祝融號火星車；還有一個衛(wèi)星繞著火星飛，全面探測火星。天上地上聯(lián)合起來探測火星。
我們的探測器剛剛經過了凌日現(xiàn)象。就是火星運行到太陽和地球連線的背面，我們根本看不到也聯(lián)系不上探測器。我們著陸在烏托邦平地，是火星過去的海洋。海邊比較平緩，這烏托邦平原美國一共著陸了八次，我們現(xiàn)在也是在美國著陸這個附近。我們是第一次去那么遠的地方，為了保險起見，要找一個平的地方降落，不要最后因為地形的原因，著陸時傾倒側翻。
可以看到月球車只有兩個翅膀，一邊一個，而火星車有四個翅膀，為什么？因為火星在地球的外邊，共同繞太陽轉，所以太陽能的能量密度比地球小多了，因為它離太陽比我們遠 5000 萬到 1 億公里，所以它的太陽能發(fā)電板就要大。
我們規(guī)定了火星探測的各項任務，現(xiàn)在正在實施。現(xiàn)在的進展一切正常。雖然我們已經找到了 200 多個火星來的隕石，但是很遺憾，我們并不知道這些石頭來自火星的什么地方，所以對于科研來說用處不大?，F(xiàn)在人類還沒有從火星的某一個確切位置取回任何一塊樣品。美國要在 2025 年，下一次發(fā)射的火星探測器把樣品帶回來，我們中國也要到 2030 年把火星的樣品取回來。
現(xiàn)在對于火星最熱門的問題，是把火星改造，讓它成為人類第二個棲息地。從 1998 年開始，很多國際會議都在討論，如何把火星改造成為第二個地球。馬斯克提出，科學家們太啰嗦了，要花幾十年到上百年才能把火星改造成為能夠人類居住的地方，他說用一萬個氫彈，把火星兩極的冰融化，這不就很快了嗎？但科學家還是有穩(wěn)步前進的辦法，大概要經過七個步驟才能向火星大量移民。
我也寫了一本科普書，叫《再造一個地球》，就是人類通過長期的努力，把紅色火星逐漸地改造成為綠色的火星、藍色的火星，人類就可以直接在火星上生存，進行大量移民，讓火星變成人類的第二個棲息地?？傊?，通過人類的智慧和努力，火星完全能夠被改造成為生機盎然的小地球，再現(xiàn)青山綠水，成為人類的第二家園。火星早期有水，有海洋，有湖泊，而且可能存在生命。火星改造完了后，也在太陽系的宜居帶里，這樣的話，就更增強了人類改造火星的信心和決心。也許通過人類一個世紀的卓越努力，可以將這個貧瘠的行星改造成為一個擁有蔚藍色的天空、綠色平原、藍色湖泊，生態(tài)環(huán)境友好的新世界。
小行星探測是亮點
2012 年嫦娥二號去探測的小行星叫 4179 號，現(xiàn)在已經有了一些資料了。我們人類最發(fā)愁的是近地小行星?？雌饋淼厍蛲饷婧孟窈荛_闊，但其實有大量的小行星就在地球的外圍。難以計數(shù)的小行星里，有一萬個直徑大于 20 米的近地小行星，它們走得不太規(guī)矩，所以科學家們很憂慮，這對人類會造成巨大的威脅。通過這些年望遠鏡的觀測，在地球附近大概找到了 18000 個這樣的近地小行星，其中直徑超過一公里的有 800 多個，一撞上地球就要造成巨大的災難。我們下一步準備去探測近地小行星，找一個近地小行星后，伴飛、降落、取樣返回。這些都已經安排了。
多目標近地小行星探測首次小行星深空探測任務將依次對三顆對地球有潛在威脅的近地小行星進行探測：對 12711 號 Tukmit 小行星進行飛越探測；對 99942 號（Apophis，2004MN4）小行星進行伴飛探測；對 175706 號（1996FG3）小行星進行伴飛和附著探測。
然后再去火星，火星外面有一個小行星帶。這個小行星帶里面全是各種小行星，圍繞著太陽轉，雖然很難撞我們地球，但它是一個小行星的庫，有非常多各種類型的小行星，里面還有彗星。我們中國準備飛到那個小行星帶去探測小行星。
美國可能要在最近兩年發(fā)射一個探測器撞靠近地球的小行星。事先設計好軌道，撞擊可能威脅地球的小行星，讓那個小行星略微改變一下軌道，這樣的話可能與地球擦肩而過。
火星外面還有四個大的行星，木星，土星，天王星，海王星。我們現(xiàn)在已經有計劃，要進行行星際之間的穿越探測，這是一個難點。我們主要要去的是木星，木星有 69 個衛(wèi)星，挑了兩個，木衛(wèi)二、木衛(wèi)四進行探測。
特別是木衛(wèi)二，那兒離太陽太遠，溫度有零下 200 來度，所以這個行星表面全是冰。但是冰上發(fā)現(xiàn)了很多裂縫，這些裂縫里還冒水，證明底下有海洋，這個海洋里面發(fā)現(xiàn)有火山爆發(fā)。
生命的誕生，有三個前提就可以。一個有液態(tài)水，第二有能量，第三水里有組成生命的碳氫氧等元素。哪怕最原始的生命也是生命。太陽系里面沒有外星人，但是有沒有最原始的生命呢？大家很關注。所以我們要到木衛(wèi)二去探測，這個木衛(wèi)二的海里面和海底可能有一些生命存在，科學家們寄予極大的希望，所以我們中國要進行木衛(wèi)二的探測。
總之，我們編制了一個初步的計劃，最上面是火星探測，下一步我們要到火星取樣返回。另外對于小行星，我們首先要做近地小行星，再去做小行星帶的小行星。當然美國還有一個計劃，把一個小行星抓到月亮附近去開采資源。每年開采出來的效益相當于全人類一年的 GDP，所以這是非常好的一個小行星。當然這存在一個嚴重的法律問題，所有的天體是全人類的財富。
我們中國將要向太陽系的星辰大海不斷地挺進，將來我們要為中華民族的偉大復興，要為我們建設一個偉大的強國而開展深空探測。今年 5 月 28 號，在兩院院士大會上，國家領導人說，深空探測是科技的制高點。我感到很受鼓舞。是，這是制高點，我們一定要去占領這個制高點，一定要在太陽系的星辰大海不斷地推進。這樣的話，為我們中華民族的偉大復興，為我們建設一個偉大的社會主義強國貢獻力量。
我們大家共同努力，我們的目標一定能夠實現(xiàn)，一定要向太陽系的星辰大海挺進！
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