月球上真的没有水和磁场吗？我们做了一台探测器，发现未必如此｜张爱兵——科学讲坛

学术 2024-10-19 10:02 北京

这次太阳质子事件已经达到了致命的等级，

如果当时有航天员在月面，

那很可能就会不幸牺牲了。

张爱兵 · 中国科学院国家科学空间中心研究员

格致校园第44期｜2024年5月50日北京

大家好！我是张爱兵，来自中国科学院国家空间科学中心。

在2024年5月3日，“嫦娥六号”执行人类第一次在月球背面采样和返回的任务，大家应该都还有印象。那么，大家是否还记得 “嫦娥一号”什么时候发射的呢？其实是在20年前。在那个时候，我们对月球的认识还是比较模糊的，比如月球的空间环境。

我们知道，月球是离我们地球最近的一颗自然天体。虽然离我们很近，但是它上面的环境还是跟地球大相径庭。地球上有稠密的大气，还有全球性的磁场，这相当于两个强大的护盾，有效地保护着我们的地球。虽然我们地球表面也会存在风、霜、雨、雪，存在恶劣的天气，但是整体来说，还是非常宜居的。

我们看月球附近又是什么样的？它的外太空有什么东西？有来自太阳的光，有太阳风，有太阳能量粒子，日冕物质抛射，有来自地球磁层里的一些粒子，当然还有银河系中心的宇宙射线，还有一些流星。

月球“天气”有多重要‍‍

之所以有这些物质，是因为月球本身没有像我们地球这样的大气和全球性的磁场，所有这些都可以直接打在月球表面。就像无数的子弹和炮弹，时时刻刻在轰击着月表。这就造成了月球附近的环境跟我们地球相差很远，我们把这个环境称为月球的空间环境。

▲月球尘埃喷泉

空间环境的差别这么大，这就是我们认知它、去了解它的动力。比如说，在月球的极区，存在像喷泉一样的往上涌动的尘埃。这个月尘的喷泉是怎么来的？它是怎么运动的？

再比如，月球表面存在着很多漩涡结构，它又是怎么来的？这种巨大差异是驱使我们探测、认知月球的强大动力。

▲月球

月球离我们很近，我们对它的探测相对容易，所以它又是一个天然的实验室。

▲左：水星

右：小行星

我们通过对月球环境的探测和认知，可以类比研究跟它类似的、同样没有大气也没有磁场的星球，比如水星，比如小行星。

月球附近的空间环境会影响航天器以及航天员的安全。比如，太阳有时候会发“脾气”，爆发太阳质子事件，这会大大地增强月球附近的辐射剂量。这种辐射剂量其实远远超过我们去医院做胸透时X射线的辐射剂量，达到一定程度，它就会对航天员的生命健康造成威胁。

再比如说，1972年这次太阳质子事件，它已经达到了致命的等级。如果当时有航天员在月面，那很可能就会不幸牺牲了。幸运的是，当时美国的阿波罗16号、阿波罗17号恰好避开了这种严重的事件。

我们国家也在规划载人登月，未来也将会有月球科研站，也会有航天员在月面工作。所以我们需要探测和认知这种空间环境，了解它的基本规律。因此，我们国家第一次月球探测任务“嫦娥一号”其中的一个目标，就是探测地月空间以及月球附近的空间环境。

2003年参加工作后，我也有幸参与了“嫦娥一号”任务，负责其中一台有效载荷的设计和研发。

什么叫有效载荷？它实际上就是搭载在卫星上，直接完成特定的探测目标的科学仪器。

我们看“嫦娥一号”有哪些载荷？它们包括8台科学仪器：有一个立体相机，拍摄月球表面三维的形貌；有一个激光高度计，用来测量月球表面形貌的高度；有X射线谱仪，还有γ射线谱仪，它们两个联合起来，可以测量月表的元素的分布；还有一个干涉成像光谱仪，它是用来测量月表的矿物的一些成分；有一个微波探测仪，它是用来测量月壤的一些特性；最后两个是跟空间环境相关的两个载荷，一个是太阳风离子探测器，一个是太阳高能粒子探测器。最后这三个都是由我所在的单位负责的。

这台是我所负责的载荷——太阳风离子探测器。这个设备实际上有两台，我们可以看到，其中一台装在了“嫦娥一号”的这个角上。

这个载荷是用来测什么的呢？这台载荷是用来测量来自太阳的太阳风，以及它跟月表相互作用产生的一些次级离子，比如反射和溅射的离子、拾起离子。大家可以参考我们前面对月球附近空间环境的大概解释。

从组成上来说，这台载荷器包括两个部分：传感器和电子学。传感器就类似于我们人类的眼睛，它可以感知我们要测的离子的特性；电子学类似于我们人类的大脑，它可以采集这些信号，进行处理，然后再去控制传感器的运行。

这里有一个关键的部件，叫扫描高压，它类似于我们大脑里用来控制眼睛的神经元。为什么它这么关键？为什么我们要对它进行攻关？后面还会讲解，先卖个小关子。

做一台载荷并不简单‍

已完成：30% //////////

总的来说，载荷的设计和研制涉及到很多专业。我当时高考报考的是自动化专业，硕士也是相关专业，学习内容涉及到电路和软件，这两方面都跟载荷的研发是相关。但是对于航天的载荷来说，它的电路和软件还有很多非常严苛的要求，还涉及到其他专业，比如说机械，比如说物理。所以这台载荷的研发对于刚刚毕业参加工作的我来说，难度和压力还是相当大的，我需要一边工作一边去学习。

▲左：探测二号低能离子探测器

右：嫦娥一号太阳风离子探测器

除了压力，其实技术上也是一个很大的挑战。这个挑战在哪儿呢？这个载荷其实是继承了我们单位原来的“探测二号”的一个载荷，但是我们有两个很关键的指标要做提升：第一个指标，能道个数从8个变成48个；第二个指标，时间分辨率要从1s变成2.9s。

大家是不是觉得1s到2.9s，分辨率是变差了？其实不是的，因为我们能道数变多了。例如8个能道，我们的时间分辨率是1s，每个能道就是125ms；但是如果能道变为48个，每个能道就变成60ms。

我们为什么要把这个指标提高？原来的仪器不是好好的吗？

月球附近的离子能量分布是不均匀的。有比较“瘦”的、也有比较“胖”的。如果能道个数比较少，对于分布得比较“胖”的离子来说，我们能够把它有效地测出来的。但是对于左边这种比较瘦的，如果我们能道数太少，很可能就错过了这么一个有效的信号。如果增加能道的个数，我们就能把所有的有效的信号都采集到。

同学们可能会问了，能道个数增加不是很简单吗？但是别忘了，我们的仪器在探测的时候，如果每个能道的时间不变，还是125毫秒，能道个数增加了变成48个能道，我们的时间分辨率或者一个工作周期就变成了6秒。

6秒意味着什么？我们看上图左方，6秒钟意味着“嫦娥一号”围着月球飞的时候要飞10千米。但是我们如果把能道的时间从125毫秒减少到60毫秒，那飞行周期一个周期就是5千米，就意味着我们在空间上的分辨能力提高了。

所以说，我们增加了能道数，降低了每个能道的时间，就意味着不管是能量的，还是空间的分辨能力都提高了。就类似于我们拍照，手机的像素数多了，必然照片很清楚；像素数很少，肯定就是很模糊，这是我们指标提升的一个根本的驱动力。我们提高的这两个指标，是仪器本身哪个部分对应它呢？这就回到了我们刚才卖的一个小关子，这里有一个关键的部件——高压电源。

我们看右上角，实际上48个能道，相当于高压从6V到2700V，它要分48个台阶上去，然后再从2700V到6V，分48个台阶下来。

理想情况下，我们这个台阶像上图所示，从一个电压到另外一个电压，那是直上直下的。但是俗话说得好，理想很丰满，现实很骨感。实际上，电压跳变不会是直上直下的，总会有一个变化的时间。如果我的变化时间很慢，那就意味着有效的探测时间不够。因为在变化过程中的探测是无效的，只有在这个平台期对于我们探测是有效的。

所以说，在同样的时间下，如果说电压上升时间变得很慢，我们在同样的时间内只能测两个台阶、两个能道。但是如果把上升时间变快，在同样的时间里，我们可以测4个台阶，相当于时间的分辨能力就提高了。所以说扫描高压部件是我们的关键核心。

那确定了关键核心，我们怎么办呢？最开始想得比较简单，我们可以买一个国外进口的高压电源。其实我们当时确实也买了，也做了很多测试和排查，但是发现它本身存在一些瑕疵。我们去跟厂家沟通，厂家拒绝承认是他们的问题。对于我们航天产品来说，哪怕是一个微小的瑕疵，那都是不能接受的。所以使用进口高压电源这条路就被堵死了，只能靠自己去做自主的技术攻关。

在当时我们经验比较少，时间进度又很紧的情况下，经历了很多次失败，也熬过了很多个通宵。最终，我们用了两个月的时间完成了攻关。通过创新结构以及调整一些参数，达到了工作范围宽、扫描速度快的目标。

这个表最左边是我们自己的这台载荷，跟同时期的日本的、印度的探测月球的载荷的对比。可以看出来我们在能道数和时间分辨率这两个指标方面都优于他们。其他指标其实跟他们也是基本相当的，整个性能指标还是非常好的。正是因为这些性能指标比较好，所以我们取得了一系列的研究成果。下面给大家举两个例子。

第一，我们在月球附近的环境里发现了氢分子离子。这意味着什么？科学家推测这种氢分子离子来源可能有两种：一种就是太阳风本身，太阳风本身主要成分就是氢离子或者叫质子，它跟月表相互作用，可能会复合成氢分子离子；第二个推测是，我们知道水分子是两个氢原子加一个氧原子，实际上，太阳风跟它相互作用，可能会把它电离成氢分子离子。所以大家觉得这个东西应该也可能跟月表上可能存在的水是相关的，这让科学家感到非常期待和兴奋。

月球是没有全球性磁场的，但是它存在类似于图示中这种局部的磁场，也会形成一个小的护盾。实际上，我们“嫦娥一号”的载荷在轨探测的时候验证了小的局部磁场磁层的存在，在一定程度上，我们用它可以作为未来航天员的庇护所。

着陆到月球表面的发现‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

已完成：50% //////////

太阳风跟月表相互作用，除了产生离子，其实还会产生另外一种成分叫能量中性原子。之前国外也是在离月球比较远的轨道上测量过这种中性原子。

▲能量中性原子，Energetic Neutral Atom/ENA

那么月表是什么样的，大家是完全未知的，而“嫦娥四号”给我们带来了认识月表的机会。

在“嫦娥四号”的“玉兔二号”月球车上，有一台载荷叫中性原子探测仪，它的功能就是测量月表的这些能量中性原子。这是台国际合作的载荷，由瑞典空间物理所和我们单位共同合作的。

关于这个载荷，其实也有一个小插曲。我们知道载荷的目的是为了有效的科学数据，那什么叫有效的科学数据？

看这张图，这是我们另外一个型号的载荷数据。这里边有很多小点点，像小雪花一样。它其实是噪声。但是，我们在这些背景上看到非常明显的有效信号，这个就是真正有意义的科学数据。

我们再看“嫦娥四号”的载荷。这是这个载荷第一次加电后在月表探测到的数据，我们发现都是小雪花，都是噪声。当时我也在接收数据的现场，看到这张图心里就凉了，觉得这个数据可能有问题，仪器工作不正常，我们没有有效的数据了。我们也跟外方进行了深入地交流，他们说，只要用科学方法处理，这种数据也可以把它处理成非常有效的数据，确实最后也成功了。

无论是在载荷技术还是科学研究方面，我们在月球探测领域都有了很大的进步，但是还是有些地方需要做提升。提升有两条路：第一，我们独立自主自力更生去做；第二，国际合作也是一种方式，往往这种方式也是一种共赢模式。比如在“嫦娥四号”里我们就采用了这种合作方式，并取得了很好的研究成果。

我们的结论是，月表的能量中性原子有很多在能量很低的这段，这刷新了大家的认知。这意味着什么？打个不太恰当的比方，假如很多子弹打在墙上，它会把我们墙上这种粉末溅射出来，如果粉末很少，对我们的空间影响没有那么大。但是如果子弹溅出来的粉末很多，可能这个房间就不适合大家在这儿听报告了。

此外，就是我们前面说的月表局部的磁场存在着一些小的磁层和局部的相互作用。那么这一台载荷在月表通过中性原子探测，其实也是一定程度上验证了太阳风跟微磁层的相互作用。

向更遥远的星辰大海前进‍

已完成：70% //////////

月球是我们深空探测的第一站，第二站是哪里呢？是火星。

▲中性粒子分析仪

我也有幸参与了咱们国家第一次自主的火星探测任务“天问一号”。我负责这里边的火星离子与中性粒子分析。

我们可以看到，载荷就在卫星的一个角落上。

▲左：离子逃逸

右：中性原子逃逸

这个载荷主要探测火星附近的离子逃逸和中性原子逃逸。

▲左：地球

右：火星

探测它们干什么呢？去研究火星大气的逃逸，去探究地球未来会不会变成像火星那样干涸、不宜居的星球。

▲天问二号小行星及彗星探测

我们国家现在也在开展“天问二号”的探测任务。这个任务是干什么的？我们要发射一颗卫星去探测一颗地球的准卫星——小行星2016 HO3。我们要采样返回，回来之后，再去探测位于火星和木星之间主带的一颗彗星。

▲带电粒子与中性粒子分析仪

在这个项目中，我也负责带电粒子与中性粒子分析仪这台载荷。这个任务计划是2025年发射，意味着我们可以向更遥远的深空再迈一步。

▲左上：太阳探测

右上：太阳探测

下：太阳边际探测

当然，我们现在也在论证和开展比如关于太阳的、关于木星的，甚至关于更遥远的太阳系边际的探测任务。

其实对于载荷来说，它不是一个人能够完成的。它其实是一个团队的作战，这里面包括科学的团队，包括工程的团队，也涉及到很多的专业。这里边我给总结了“四多”：

第一，涉及的专业非常多。比如这里面涉及到物理的、电子的、软件的，甚至涉及到机械的、工程管理的专业知识。

第二，研究领域多。我们要探测有粒子、有磁场、有电场、有光、有微波、有无线电等等。

第三，协作单位多。我们协作的单位可能有国家机关、有科研院所、有高校、有工业部门，甚至还有国外的一些研究机构。

第四，能力锻炼多。这里边会锻炼我们提出问题、分析问题、解决问题的能力，缜密的思维能力，以及团队协作的能力。

最后我想说的是，其实我们是幸运的。这里所说的“我们”不光是我自己、不光是我们的团队、不光是现在国内所有在进行月球和深空探测领域的人，我觉得也包括在座的各位。我也非常期待和欢迎在座的各位有朝一日能够加入我们这个团队。也许你们就是未来的科学家、工程师，还有企业家。

其实深空探测领域还有很多未解的科学问题有待我们去解决。我们为了解决这些问题，需要去攻关技术、研发载荷，只要我们脚踏实地，通过一代人一代人的努力，相信我们国家在这个领域肯定能够实现更大的仰望星空的梦想。

谢谢大家！

- END -

“格致论道”，原称“SELF格致论道”，致力于非凡思想的跨界传播，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院网络安全与信息化办公室主办，中国科普博览(中国科学院科普云平台)提供技术支持。欢迎关注格致论道官网: self.org.cn，微信公众号: SELFtalks，微博: 格致论道。

本文转载自《格致论道讲坛》微信公众号