一年之內(nèi)，嫦娥一號(hào)衛(wèi)星將攜帶精心設(shè)計(jì)的8種有效載荷，圍繞四大科學(xué)目標(biāo)，從200公里的上空對(duì)月球進(jìn)行科學(xué)考察。
在距離地球38萬(wàn)公里之遙的深空環(huán)境中，這8種有效載荷是如何工作的？所探測(cè)的數(shù)據(jù)是否可靠？日前，記者采訪了嫦娥一號(hào)衛(wèi)星有效載荷總指揮、中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用中心主任吳季，請(qǐng)他解疑釋惑。
裝備：CCD立體相機(jī)、激光高度計(jì)
任務(wù)：探測(cè)月面地形地貌，獲取全月球立體圖
首次深空探測(cè)能否順利完成使命，引人關(guān)注，有效載荷由此“登臺(tái)亮相”。
所謂有效載荷，就是執(zhí)行科學(xué)任務(wù)的儀器裝備。嫦娥一號(hào)衛(wèi)星(以下簡(jiǎn)稱“嫦娥”)上搭載的8種載荷總重130多公斤。為了準(zhǔn)確拍得月球全球的三維立體照片，“嫦娥”攜帶了兩臺(tái)專門的儀器：CCD立體相機(jī)和激光高度計(jì)。
據(jù)吳季介紹，“嫦娥”本身不大，除去燃料只有1000公斤多一點(diǎn)。為保證衛(wèi)星的飛行安全，衛(wèi)星裝有太陽(yáng)能電池板、姿態(tài)控制等設(shè)備，這些就要占去80%多的衛(wèi)星資源，因此留給有效載荷的只有100多公斤重量和100多瓦功率的衛(wèi)星資源。在這樣的資源條件下，為了盡可能多地完成科學(xué)任務(wù)，有效載荷就要盡可能的小。CCD立體相機(jī)和激光高度計(jì)兩臺(tái)儀器，加起來(lái)體重不到30公斤。
由于針對(duì)的是月球全球性探測(cè)，反映其地形地貌，CCD立體相機(jī)的分辨率設(shè)為120米，雖然不是特別高，但完全滿足科學(xué)探測(cè)的要求。
設(shè)計(jì)相機(jī)的工程師們還動(dòng)了腦筋，使這臺(tái)CCD立體相機(jī)可以前視、后視和正下視，一次掃過(guò)去，能夠同時(shí)獲得3幅圖像，等于3臺(tái)相機(jī)的作用。而且，除了前視圖像和后視圖像可以用來(lái)做立體照片之外，正下視還可獲得二維平面圖像。
在月球的兩極區(qū)域，陽(yáng)光照到月面的角度非常低，有些地方甚至就是大面積的黑暗。為了能夠把目前國(guó)際上少有拍到的月球極區(qū)拍清楚，CCD立體相機(jī)上預(yù)留了一個(gè)曝光時(shí)間長(zhǎng)達(dá)84毫秒的大光圈，但還沒(méi)用上，因?yàn)閺哪壳扒闆r來(lái)看，用20毫秒的光圈拍月球高緯度已經(jīng)足夠清楚。
“從目前CCD立體相機(jī)的工作狀況看，獲得的圖像質(zhì)量很好，層次豐富，科學(xué)家們相當(dāng)滿意。”吳季說(shuō)。
然而，光用CCD立體相機(jī)拍到的月球立體圖還有缺憾：山高幾丈、谷深幾許并非那么準(zhǔn)確，而且到了黑暗處就會(huì)留下空白。這時(shí)候就該激光高度計(jì)出場(chǎng)了。
激光高度計(jì)每10秒打一束激光到月球表面并接受反射光，使得月球上間隔十幾公里就可以“有”一個(gè)點(diǎn)，而且分辨率精確到5米，通過(guò)計(jì)算激光返回時(shí)間和衛(wèi)星離月球的距離，就可以算出激光點(diǎn)所處的月球表面高度。
激光高度計(jì)好用，但卻不好安裝。最大困難就是如何把兩個(gè)光軸對(duì)準(zhǔn)，一個(gè)專門發(fā)射波束，一個(gè)負(fù)責(zé)接收。這兩個(gè)光軸如果裝歪了，激光束就有去無(wú)回。在安裝到衛(wèi)星的過(guò)程中，螺絲擰得緊不緊都會(huì)引起光軸位置變化。因此激光高度計(jì)是衛(wèi)星所有設(shè)備中第一個(gè)安裝的，以防止其他設(shè)備的影響，并且還需要在地球上模擬零重力安裝。
裝備：干涉成像光譜儀、伽馬射線譜儀、X射線譜儀
任務(wù)：探測(cè)月球表面的元素和礦物成分
看清楚月球的長(zhǎng)相之后，下一步順理成章的就是要了解月球上分布著什么元素，物質(zhì)的組成怎么樣。要探個(gè)究竟，就要用到干涉成像光譜儀和伽馬射線譜儀、X射線譜儀。
吳季介紹說(shuō)，人眼利用可見(jiàn)光通過(guò)顏色去分辨物體，X射線、伽馬射線的波長(zhǎng)要比可見(jiàn)光短得多，利用這些射線可以用來(lái)分辨元素種類。伽馬譜儀的主要工作原理就是通過(guò)觀測(cè)月球表面的伽馬射線來(lái)判斷該伽馬射線由哪種元素發(fā)出以及該元素的豐富程度。為確保它們獲得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，在進(jìn)入太空之前，這些相關(guān)儀器就在地球上做過(guò)模擬測(cè)試。
干涉成像光譜儀更像是衛(wèi)星的一雙視力極佳的眼睛，用可見(jiàn)光來(lái)看出月球上物質(zhì)的不同顏色。吳季說(shuō)，雖然從地球上看，月球以灰色為主，沒(méi)有太多種類的顏色。但用精密的光學(xué)儀器去看，就會(huì)有顏色深淺的區(qū)別。在專門研究地質(zhì)化學(xué)的科學(xué)家眼里，這些顏色的微小區(qū)別，就可能代表著地質(zhì)構(gòu)造的不同成分�！斑@也可以為以后月球著陸點(diǎn)的選擇提供參考�！�
伽馬射線和X射線譜儀都曾有過(guò)太空經(jīng)歷，但這次都進(jìn)一步改進(jìn)。干涉成像光譜儀在空間應(yīng)用的比較少，它的優(yōu)勢(shì)在于尺寸很小，和CCD立體相機(jī)加起來(lái)一共才20多公斤，突破了衛(wèi)星資源的約束。
裝備：微波探測(cè)儀
任務(wù)：探測(cè)月壤特性
要探測(cè)月壤特性，獲得其厚度信息，有許多辦法，比如使用雷達(dá)來(lái)探測(cè)。但雷達(dá)功耗大，占用衛(wèi)星資源就多。為此，“嫦娥”攜帶了一個(gè)微波探測(cè)儀，用的能量雖小，卻可以接收4個(gè)頻段的微波，來(lái)滿足精、小、高效的要求。
微波技術(shù)在地球上運(yùn)用得已經(jīng)非常廣泛。大氣中的水汽含量、土壤濕度、海水的鹽度、沙漠等干旱地區(qū)的面積等，都可以用微波來(lái)探測(cè)。月球是一個(gè)很干的沒(méi)有水的星球，因此微波可以穿透到比較深層的月表下面。
吳季介紹說(shuō)，開(kāi)始提出用微波的手段來(lái)探測(cè)月壤時(shí)頗有些爭(zhēng)議，微波的4種頻段的這4個(gè)參數(shù)能把月壤厚度評(píng)估出來(lái)嗎？
“從微波探測(cè)儀傳回來(lái)的第一組數(shù)據(jù)看，比較樂(lè)觀。因?yàn)?個(gè)頻段的微波數(shù)據(jù)都各不相同，體現(xiàn)了各自頻段具有的特性，透露出有關(guān)月壤的深度信息。既然有信息，就肯定能想辦法把它弄出來(lái)�，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)科學(xué)家都在努力，希望把月壤的厚度反演出來(lái)�！眳羌菊f(shuō)，微波探月壤厚度是一個(gè)創(chuàng)新，沒(méi)有前人經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。而且微波探測(cè)儀上4個(gè)頻段的接收設(shè)備要有一致性，否則很可能影響對(duì)月壤深度的判斷。
裝備：太陽(yáng)高能粒子探測(cè)器、太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)器
任務(wù)：探測(cè)地月空間環(huán)境
任何一個(gè)航天器到了新的星球，必然要了解所處空間的未知環(huán)境，來(lái)保護(hù)自己的安全�！版隙稹鄙系奶�(yáng)高能粒子探測(cè)器和太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)器就是專門用來(lái)獲取地月空間環(huán)境信息。
“太陽(yáng)高能粒子探測(cè)器的主要目的是為了探測(cè)太陽(yáng)爆發(fā)時(shí)候的高能粒子，但現(xiàn)在是太陽(yáng)活動(dòng)低年，還沒(méi)有遇到爆發(fā)，這臺(tái)儀器還不曾用上勁，最近看到它的數(shù)據(jù)比較平靜�！眳羌菊f(shuō)，高能粒子探測(cè)器還和衛(wèi)星的安全有關(guān)，因?yàn)楫?dāng)太陽(yáng)爆發(fā)時(shí)會(huì)“拋”出大量高能粒子，這些高能量的帶電粒子會(huì)威脅衛(wèi)星安全。
“太陽(yáng)風(fēng)”則是太陽(yáng)發(fā)出的低能量粒子流，它被月球這樣的星體阻擋后怎么分布，是非常有意思的一件事�？茖W(xué)家認(rèn)定，月壤中豐富的氦—3元素主要是太陽(yáng)風(fēng)帶來(lái)的。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的日積月累，吹向月球的太陽(yáng)風(fēng)在月球表面的土壤層積累了豐富的氦—3。
“一年下來(lái)，‘嫦娥’可以對(duì)月球全球周圍的‘太陽(yáng)風(fēng)’進(jìn)行系統(tǒng)的探測(cè)�！眳羌菊f(shuō)，太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)器目前已經(jīng)有了很好的數(shù)據(jù)，許多國(guó)外的科學(xué)家對(duì)之很感興趣，并且愿意拿他們的星際數(shù)據(jù)來(lái)交換。
“有效載荷對(duì)月球進(jìn)行科學(xué)探測(cè)，不僅能夠獲得我們盼望已久的第一手月球科學(xué)數(shù)據(jù)，而且還能為人類的空間科學(xué)做出貢獻(xiàn)�！眳羌菊f(shuō)，“比如月壤厚度、氦—3評(píng)估的結(jié)果我們到時(shí)候會(huì)向全世界公布，所有人都可以獲得這些有關(guān)資源的信息。”
他認(rèn)為，“嫦娥”是科學(xué)衛(wèi)星，對(duì)我國(guó)的空間科學(xué)發(fā)展能起到巨大的帶動(dòng)作用，可以讓我們更好地探索、實(shí)驗(yàn)新技術(shù)。反過(guò)來(lái)，空間科學(xué)的發(fā)展又能夠帶動(dòng)航天科技的發(fā)展，成為航天科技應(yīng)用發(fā)展的源頭動(dòng)力。(記者 余建斌 )
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