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資料圖：“嫦娥一號”衛星模型。 中新社發 鄒憲 攝
一年之內，嫦娥一號衛星將攜帶精心設計的8種有效載荷，圍繞四大科學目標，從200公里的上空對月球進行科學考察。
在距離地球38萬公里之遙的深空環境中，這8種有效載荷是如何工作的？所探測的數據是否可靠？日前，記者採訪了嫦娥一號衛星有效載荷總指揮、中國科學院空間科學與應用中心主任吳季，請他解疑釋惑。
裝備：CCD立體相機、鐳射高度計
任務：探測月面地形地貌，獲取全月球立體圖
首次深空探測能否順利完成使命，引人關注，有效載荷由此“登臺亮相”。
所謂有效載荷，就是執行科學任務的儀器裝備。嫦娥一號衛星(以下簡稱“嫦娥”)上搭載的8種載荷總重130多公斤。為了準確拍得月球全球的三維立體照片，“嫦娥”攜帶了兩台專門的儀器：CCD立體相機和鐳射高度計。
據吳季介紹，“嫦娥”本身不大，除去燃料只有1000公斤多一點。為保證衛星的飛行安全，衛星裝有太陽能電池板、姿態控制等設備，這些就要佔去80%多的衛星資源，因此留給有效載荷的只有100多公斤重量和100多瓦功率的衛星資源。在這樣的資源條件下，為了盡可能多地完成科學任務，有效載荷就要盡可能的小。CCD立體相機和鐳射高度計兩台儀器，加起來體重不到30公斤。
由於針對的是月球全球性探測，反映其地形地貌，CCD立體相機的解析度設為120米，雖然不是特別高，但完全滿足科學探測的要求。
設計相機的工程師們還動了腦筋，使這臺CCD立體相機可以前視、後視和正下視，一次掃過去，能夠同時獲得3幅圖像，等於3台相機的作用。而且，除了前視圖像和後視圖像可以用來做立體照片之外，正下視還可獲得二維平面圖像。
在月球的兩極區域，陽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。為了能夠把目前國際上少有拍到的月球極區拍清楚，CCD立體相機上預留了一個曝光時間長達84毫秒的大光圈，但還沒用上，因為從目前情況來看，用20毫秒的光圈拍月球高緯度已經足夠清楚。
“從目前CCD立體相機的工作狀況看，獲得的圖像品質很好，層次豐富，科學家們相當滿意。”吳季說。
然而，光用CCD立體相機拍到的月球立體圖還有缺憾：山高幾丈、谷深幾許並非那麼準確，而且到了黑暗處就會留下空白。這時候就該鐳射高度計出場了。
鐳射高度計每10秒打一束鐳射到月球表面並接受反射光，使得月球上間隔十幾公里就可以“有”一個點，而且解析度精確到5米，通過計算鐳射返回時間和衛星離月球的距離，就可以算出鐳射點所處的月球表面高度。
鐳射高度計好用，但卻不好安裝。最大困難就是如何把兩個光軸對準，一個專門發射波束，一個負責接收。這兩個光軸如果裝歪了，鐳射束就有去無回。在安裝到衛星的過程中，螺絲擰得緊不緊都會引起光軸位置變化。因此鐳射高度計是衛星所有設備中第一個安裝的，以防止其他設備的影響，並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：探測月球表面的元素和礦物成分
看清楚月球的長相之後，下一步順理成章的就是要了解月球上分佈著什麼元素，物質的組成怎麼樣。要探個究竟，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，人眼利用可見光通過顏色去分辨物體，X射線、伽馬射線的波長要比可見光短得多，利用這些射線可以用來分辨元素種類。伽馬譜儀的主要工作原理就是通過觀測月球表面的伽馬射線來判斷該伽馬射線由哪種元素發出以及該元素的豐富程度。為確保它們獲得的數據準確可靠，在進入太空之前，這些相關儀器就在地球上做過模擬測試。
干涉成像光譜儀更像是衛星的一雙視力極佳的眼睛，用可見光來看出月球上物質的不同顏色。吳季說，雖然從地球上看，月球以灰色為主，沒有太多種類的顏色。但用精密的光學儀器去看，就會有顏色深淺的區別。在專門研究地質化學的科學家眼裏，這些顏色的微小區別，就可能代表著地質構造的不同成分。“這也可以為以後月球著陸點的選擇提供參考。”
伽馬射線和X射線譜儀都曾有過太空經歷，但這次都進一步改進。干涉成像光譜儀在空間應用的比較少，它的優勢在於尺寸很小，和CCD立體相機加起來一共才20多公斤，突破了衛星資源的約束。
裝備：微波探測儀
任務：探測月壤特性
要探測月壤特性，獲得其厚度資訊，有許多辦法，比如使用雷達來探測。但雷達功耗大，佔用衛星資源就多。為此，“嫦娥”攜帶了一個微波探測儀，用的能量雖小，卻可以接收4個頻段的微波，來滿足精、小、高效的要求。
微波技術在地球上運用得已經非常廣泛。大氣中的水汽含量、土壤濕度、海水的鹽度、沙漠等乾旱地區的面積等，都可以用微波來探測。月球是一個很幹的沒有水的星球，因此微波可以穿透到比較深層的月表下面。
吳季介紹說，開始提出用微波的手段來探測月壤時頗有些爭議，微波的4種頻段的這4個參數能把月壤厚度評估出來嗎？
“從微波探測儀傳回來的第一組數據看，比較樂觀。因為4個頻段的微波數據都各不相同，體現了各自頻段具有的特性，透露出有關月壤的深度資訊。既然有資訊，就肯定能想辦法把它弄出來。現在國內科學家都在努力，希望把月壤的厚度反演出來。”吳季說，微波探月壤厚度是一個創新，沒有前人經驗可以借鑒。而且微波探測儀上4個頻段的接收設備要有一致性，否則很可能影響對月壤深度的判斷。
裝備：太陽高能粒子探測器、太陽風離子探測器
任務：探測地月空間環境
任何一個航太器到了新的星球，必然要了解所處空間的未知環境，來保護自己的安全。“嫦娥”上的太陽高能粒子探測器和太陽風離子探測器就是專門用來獲取地月空間環境資訊。
“太陽高能粒子探測器的主要目的是為了探測太陽爆發時候的高能粒子，但現在是太陽活動低年，還沒有遇到爆發，這台儀器還不曾用上勁，最近看到它的數據比較平靜。”吳季說，高能粒子探測器還和衛星的安全有關，因為當太陽爆發時會“拋”出大量高能粒子，這些高能量的帶電粒子會威脅衛星安全。
“太陽風”則是太陽發出的低能量粒子流，它被月球這樣的星體阻擋後怎麼分佈，是非常有意思的一件事。科學家認定，月壤中豐富的氦—3元素主要是太陽風帶來的。經過長期的日積月累，吹向月球的太陽風在月球表面的土壤層積累了豐富的氦—3。
“一年下來，‘嫦娥’可以對月球全球周圍的‘太陽風’進行系統的探測。”吳季說，太陽風離子探測器目前已經有了很好的數據，許多國外的科學家對之很感興趣，並且願意拿他們的星際數據來交換。
“有效載荷對月球進行科學探測，不僅能夠獲得我們盼望已久的第一手月球科學數據，而且還能為人類的空間科學做出貢獻。”吳季說，“比如月壤厚度、氦—3評估的結果我們到時候會向全世界公佈，所有人都可以獲得這些有關資源的資訊。”
他認為，“嫦娥”是科學衛星，對我國的空間科學發展能起到巨大的帶動作用，可以讓我們更好地探索、實驗新技術。反過來，空間科學的發展又能夠帶動航太科技的發展，成為航太科技應用發展的源頭動力。(記者
余建斌 ) 來源：人民日報
轉自中新網
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