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国外月球探测任务及故障浅析(一)

2007-5-26 19:25| 来源: 中国探月网 |作者: 王燕| 查看: 1057| 责编: 站长

1  引 言 
 
  月球是地球唯一的天然卫星,是距离地球最近的天体。它一直是人类观察研究的对象,是人类开展深空探测的首选目标,因为月球具有可供人类开发和利用的各种独特资源,也是人类向外层空间发展的理想基地和前哨站。它能帮助人类进一步认识地球环境的形成和演变,认识空间现象和地球自然系统之间的关系。从现实和长远看,对月球的探测和开发具有十分重要的科学意义和经济意义。月球探测将是21世纪人类进行空间资源开发与利用、空间科学与技术创新的重要途径。 
   然而,由于月球探测在极其严酷的太空环境中进行,技术难度相当大,长期以来各国探测计划遭遇过各种挫折,发生过各种故障,其中有一些直接导致任务的失败。研究分析几十年来各国月球探测活动的故障现象,对于防止我国探月任务发生同类故障、提高发射成功率、攻克相关的关键技术,并进一步提高我国月球探测技术水平具有重要的借鉴作用和指导意义。 

2 月球探测历程回顾

  20世纪50年代以来,人类进入了月球探测时期。以美国和苏联为首的两个航天大国展开了空前的太空竞赛。美国率先于1958年发射了“先驱者0”,揭开了人类探测月球的序幕。1959年苏联成功的发射了“月球2号”探测器,成功地撞击在月球的“静海”,成为第一颗月球探测器。截至2006年,人类共发射了122颗月球探测器,其中美国共发射了56颗月球探测器,苏联发射了64颗月球探测器,其他国家2颗,成功率约为49%。
美国和苏联的月球探测活动有以下几个特点:

  (1)人类的月球探测活动经历了两个阶段:1958年至1976年是第一阶段, 1958-1964年期间由于运载技术不成熟,加上人类对于月球环境认识不足,发射的探测器绝大多数失败了,成功率不足10%。1965年到1976年,探测活动达到高潮,发射的探测器多达80枚,成功率上升到了57%。1977年到1994年进入休整期。1994年至今是第二阶段,随着地球应用卫星的逐渐成熟,特别是计算机技术、微电子技术和新材料技术等的飞速发展,加上人类对太空环境认识的加深,成功率已高达80%。美国分别于1994年和1998年发射的“克莱门汀”和“月球探测器”,标志着美国重返月球计划的开始。2003年欧空局发射的“智慧1号”掀起了人类探测月球的又一轮高潮,中国、印度也即将踏上月球探测的旅程。
  (2)随着人类空间技术的进步和对月球的深入了解,月球探测大致经历了飞越月球、绕月、硬着陆、软着陆、取样返回、载人登月阶段。苏联在飞越月球、硬着陆、软着陆和月球轨道器方面取得了重大成果,为人类月球探测做出了不可磨灭的贡献。不过月球探测的最终胜利者还是属于美国,阿波罗计划在载人登月领域取得了举世瞩目的成就。阿波罗计划促进了航天科学技术的新发展,带动了一系列新技术的创新与推广,大大提高了人类对月球的认识,月球探测取得了划时代的成就。美国和苏联月球探测标志性成果见表1和表2: 

1  美国月球探测标志性成果

探测器

时间

成果

徘徊者-7

1964

首次撞击月球

勘测者-1

1966

首次实现月球软着陆

阿波罗-8

1968

首次载人环月飞行

阿波罗-11

1969

首次载人登月

2  苏联月球探测标志性成果

探测器

时间

成果

月球-2

1959

首次实现月球硬着陆

月球-3

1959

首次飞越月球

月球-9

1966

首次实现月球软着陆

月球-10

1966

首次环月飞行

探测器-5

1968

首次不载人环月飞行并返回地球

月球-16

1970

首次无人土壤采样返回


2.1 美国探月历程 

  月球探测第一阶段(1958-1976)美国共发射了54枚探测器,具体实施的探测任务有: 
  (1)  “先驱者”(Pioneer)系列:美国最早的月球探测系列。共发射了5颗探测器(Pioneer 0,1,2,3,4),前4次任务因火箭推力不足均失败,只有先驱者4勉强成功,但也只是远距离飞越月球。虽然先驱者系列的成功率不足20%,但是为后来的探月计划奠定了基础。 
   (2)“艾布尔” (Able) 系列:共发射了3颗探测器(Able4, 5A, 5B),均为月球轨道器,但因运载故障而全部失败。 
   (3) “徘徊者” (Ranger)系列:“徘徊者”是为了试验月球硬着陆而发射的探测器,共发射了9颗探测器(Ranger1-9)。前6次全部失败,1964年徘徊者-7首次实现月球硬着陆,随后的徘徊者-8、-9也相继成功地硬着陆在月球表面,并发回了大量高分辨率的照片,成功率33%。徘徊者共拍摄了17259幅照片,为勘测者和阿波罗计划提供了大量有价值的数据。 
  (4) “勘测者”(Surveyor)系列:为阿波罗载人登月计划而制定的不载人软着陆试验,在空间探测技术上具有划时代的意义。共发射了7颗探测器(Surveyor1-7)。 除勘测者-2、-4失败,其他全部成功, 成功率高达71%。勘测者除了进行月面软着陆外,还为阿波罗计划提供了许多有价值的科学资料。 
  (5) “月球轨道器”(Lunar Orbiter)系列:这是一个月球环绕轨道探测计划,任务是拍摄月面地形图,为人类登月选择着陆点做准备。共发射了5颗探测器,全部成功。 
   (6)“探险者”(Explorer)系列:共发射了3颗探测器,即探险者-33、-35和-49。除探险者-33失败,其他均成功。 
   (7) “阿波罗”(Apollo)系列:阿波罗计划在美国探月史写上了辉煌的一页,将人类月球探测技术推向了顶峰,也为美国获取美苏军备竞赛的胜利奠定了坚实的基础。该计划从1966年开始实施,终结于1972年,历时7年之久。1969年7月阿波罗11载人飞船首次实现了人类史上载人登月、采样返回的预定目标。随后的四年里,阿波罗12、14、15、16、17也相继成功地实现了载人登月和采样返回地科学目标。7次载人登月飞行中6次成功,1次失败,成功率高达86%。虽然阿波罗13发生了故障,但飞船却成功地绕过月球返回地球,3名宇航员幸免遇难。

表3  阿波罗飞船的飞行情况

  月球探测第二阶段(1994-至今)实施的探测计划有:
  (1) “克莱门汀”(Clementine):1994年发射的“克莱门汀”探测器是美国自1972年阿波罗登月计划结束后20多年来发射的第一个月球探测器,标志着美国重返月球计划开始。在71天的环月飞行期间,成功地完成了月球探测任务。
  (2) “月球勘探者”(Lunar Prospector):1998年发射的“月球勘探者”探测器是继阿波罗计划后美国发射的第二颗探测器,主要任务是拍摄月壤,它所发回的数据比克莱门汀要详细得多,这对了解月球起源和整体构造具有重要参考价值。    2.2 苏联探月历程     在美国发射载人飞船之前,苏联在月球探测方面一直领先于美国。1959年发射的“月球-2”首次撞击月球,比美国的徘徊者-7(1964年)早了5年;1966年发射的“月球-10”首次环月飞行,比“阿波罗-8”早了2年;1966年1月发射的“月球-9”也比美国的“勘测者-1”提前了4个月软着陆。苏联为人类月球探测做出了卓越贡献。它实施的月球探测计划共分4大系列,具体如下:
  (1)“月球号”(Lunar)系列:月球号计划是苏联月球探测项目中的最大的一个系列,从1958年至1976年,历时18年,共发射了43颗探测器。实施了除载人登月以外所有的月球探测活动。成功的探测任务有15次,成功率为35%。各次任务及其结果如下表:

表4  “月球”号系列任务情况

  (2)   “探测器”(Zond)系列:探测器系列是苏联早期月球探测计划中仅次于月球号系列的项目。从1964年开始到1970年间,共发射了15颗探测器,其中月球探测13次(探测器-1是金星探测器,探测器-2为火星探测器),成功的任务有5次(Zond-3,-5,-6,-7,-8),成功率为38%。探测器-5是为载人登月进行的实验,它是空间探测史上首次实现不载人绕月并返回的探测器。
  (3)    “宇宙号”(Cosmos)系列:共发射了4颗探测器,即宇宙-60(1965年)、宇宙-111(1966年)、宇宙-300(1969年)、宇宙-305(1969年),试图进行软着陆、采样返回等任务,但全部失败。
  (4)     “联盟号-L3”(Soyuz-L3):1972年发射的联盟号-L3因火箭故障而失败。

2.3其他国家探月测历程

  (1)飞天(Hiten):它是日本于1990年发射的首枚月球探测器。因未能释放子卫星进入月球轨道,任务失败。
  (2)”智慧-1号”(Smart-1):智慧-1号是欧空局于2003年发射的首颗月球探测器,也是一次彻底成功的任务。其主要目标是测试太阳能离子发动机技术,同时也试验探测器和仪器的其他新技术,收集月球地质、地貌、矿物和环月外大气层环境等概况的数据。2006年9月3日在飞行了3年之久后撞击月球,圆满完成了其使命。

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