上图为月球探测空间环境保障系统。国家空间科学中心供图
“探测器有效载荷大都是我们做的”
12月2日凌晨，嫦娥三号发射成功。据记者了解，中科院开展的多项工作参与嫦娥三号任务中三大系统，发挥着重要作用。
中国科学院副院长、探月工程副总指挥阴和俊告诉《中国科学报》记者：“中国科学院是我国探月工程的倡导者、推动者，也是重要的参研部门之一。”
阴和俊指出，中科院在此次嫦娥三号任务中共承担了六项工作，贯穿了科学产出的全过程。“一是科学目标的规划和论证；二是地面应用系统的建造；三是探测器系统中有效载荷分系统的研制；四是测控系统中甚长基线干涉测量（VLBI）分系统的建造；五是为其他系统提供了许多重要的配套任务；六是科学目标的产出。”
中国科学院地面应用系统总指挥刘晓群介绍，自探月工程立项以来，中科院国家天文台承担了地面应用系统的工作，嫦娥三号任务也不例外。地面应用系统的工作不仅包括科学探测计划确定，有效载荷运行管理，探测数据的接收、处理、解译和管理，还要组织开展科学数据的应用和研究等。
根据嫦娥三号的任务特点，此次地面应用系统新增了遥科学探测、通讯与网络两个分系统，并在国家天文台新建遥科学探测实验室。
探测器系统中，嫦娥三号探测器上八个有效载荷中有七个由中科院相关研究机构研制。探测器系统总设计师孙泽洲称：“其中最有特色的包括，月基光学望远镜开创了国际上首次在月面开展天文研究的新领域；极紫外相机首次实现了国际上在月面对地球等离子体层进行观测；测月雷达集合其他成果则能实现国际上首次建立集形貌、成分、结构于一体的综合性观测剖面。”
测控通讯系统中，中科院上海天文台承担了甚长基线干涉测量（VLBI）分系统。据悉，自探月工程开展以来，上海天文台利用了中科院多年的技术积累和经验，成功地将射电天文学的观测手段应用于我国航天工程，进一步提高了测控精度。
中科院相关研究所还完成了多项重要的配套工作。例如，上海技术物理研究所完成了激光测距敏感器和激光三维成像的研制，提供着陆区详细信息，保障着陆安全。合肥固体物理所的科研人员则开发出具有优异力学性能，高吸能本领、效率的新材料，用于制作拉杆，为着陆缓冲提供安全保障。
据悉，中科院是最早呼吁研究并提出开展月球和深空探测的机构之一。早在1994年，时任中国科学院地球化学所所长的欧阳自远等专家完成了第一个较完整的月球探测可行性报告。1998年，在国家“863”项目支持下，中国科学院地球化学所和空间中心共同完成了我国月球探测发展战略的研究项目，提出了开展我国月球探测发展规划的初步设想。2000年，在中科院知识创新方向性项目的支持下，以欧阳自远院士为首席科学家的团队，完成了题为《我国月球资源探测卫星科学目标》的研究报告。
65米“大眼睛”注视亲月之“吻”
2013年11月14日，初冬的上海佘山寒风瑟瑟。《中国科学报》记者在佘山脚下，一睹了65米射电望远镜的雄姿。中科院上海天文台台长洪晓瑜告诉记者：“这台射电望远镜将在嫦娥三号任务中发挥重要作用。”
2008年起，在中国科学院和上海市的“院市合作”计划及探月工程支持下，经过四年的建设，这台65米口径射电望远镜在上海天文台佘山基地落成。“目前，它是我国口径最大、波段最全的一台全方位可转动的射电望远镜，总体性能在国际上名列前四名。”洪晓瑜说，“这台设备将在我国探月工程二期、三期执行甚长基线干涉测量（VLBI）测轨和定位任务。”
基于射电天文学干涉测量的VLBI是一项上世纪60年代才发展起来的新技术。洪晓瑜介绍：“科学家用多架射电望远镜接受同一天体的无线电波信号并加以处理，结果等效于一架望远镜，其口径相当于多架望远镜间的最远距离……既提高了分辨率，天文观测能力也得以加强。”
除了进行天文学观测外，在嫦娥工程中，中科院天文测量VLBI网成为了VLBI测轨分系统，已经圆满完成了嫦娥一号、嫦娥二号的绕月卫星测定轨任务。说到承担嫦娥测轨任务和天文学观测的区别，洪晓瑜介绍：“开展天文学研究允许科学家在较长的时间内进行观测。探月工程则需要快速得到结果，这对我们在技术和工作流程上都提出了更高的要求。”
65米射电望远镜的加入为我国VLBI网注入了新的能量。2012年12月，该望远镜参与并成功完成嫦娥二号卫星飞越图塔蒂斯4179小行星成像探测扩展任务。一年后的今天，它开始全力备战嫦娥三号任务。
65米射电望远镜下的控制室里，上海天文台射电天文科学与技术室副主任安涛和同事们正在为嫦娥三号任务积极地开展准备工作。安涛向记者介绍，自嫦娥三号任务准备工作启动以来，65米射电望远镜每天都在进行不同的观测试验。“每个岗保证有两至三名工作人员，开展24小时观测。”
而几公里外VLBI网的“大脑”——位于上海天文台佘山科技园区的探月指挥中心也进入了临战状态。该中心于今年8月正式落成，嫦娥三号任务将是它的“处女秀”。VLBI测轨分系统嫦娥三号总工程师郑为民介绍，为了不耽误备战嫦娥三号任务，他和同事们一边搬家，一边按照既定进度开展工作。走进指挥中心，记者看到几个行李箱排列在门口。郑为民笑了笑说：“我们作好了打长期战的准备，几个同事还没来得及去宿舍整理就来工作了。”
进入大厅，一片繁忙的工作景象呈现在眼前：大屏幕上各种图谱在实时变换，广播里也不时下达工作命令，各个岗位的工作人员都在工位前忙碌，紧张而有序。在取得多项技术创新后，他们信心十足，期待圆满完成嫦娥三号任务。
空间环境预报让“嫦娥”行走自如
“上天揽月”是人类的共同梦想。上世纪六七十年代，野心勃勃的美国曾经数次将宇航员送上月球，极大地满足了人类对月球的幻想。
美国科学家在总结那段历史时感慨：“当时我们真是幸运！”
何来幸运？
原来，美国阿波罗计划推进的十几年，天公实在作美：没有遭遇到大的太阳质子事件，仅在“阿波罗16号”返回途中发生小型质子事件，但未造成损失与影响。
可以想象，在“阿波罗”所处的年代，人类的观测手段有限，太阳活动预测水平、预报能力有限，即使有再周密的预案，一旦太阳活动爆发来个措手不及，当年辉煌的历史将会打折。
今天，中国已经是深空探测俱乐部国家中强有力的一员。在完备的天基、地基设备构建的观测网络下，在成熟的预报系统与模型下，中国的空间环境监测与预报已不再靠运气，“嫦娥”系列的成功发射与探测是最好的例证。
“每次发射前三个月，我们就要开始准备工作了。”担任中科院空间中心空间环境研究预报室空间环境预报组组长的钟秋珍接受《中国科学报》采访时表示：“一般从发射前三天预报人员开始24小时昼夜值班，一直持续半个多月。”
与近地观测的环境不同，大部分时间“行走”在行星际空间的“嫦娥”，让预报人员有喜有忧。
喜的是，进行深空探测的“嫦娥”大部分时间都远离地球的磁层，仅有几天“走到”地球磁尾处，会受到地磁扰动的影响，其他时间主要的威胁，那就是太阳质子事件。
忧的是，由于没有了地球磁场的保护，“嫦娥”暴露在行星际空间中，一旦爆发强烈的太阳活动，不论是高能的，还是低能的太阳辐射粒子，“嫦娥”都会遇到。
“对‘嫦娥’系列卫星来说，恶劣的空间天气发生属于小概率事件，但是一旦发生影响就很大。”钟秋珍告诉《中国科学报》，今年仍处于太阳活动峰年，“虽然这个峰年没有科学界预期的那么强，但是不知道什么时候太阳活动突然爆发。”
钟秋珍最担心的是太阳高能质子会对载荷产生高能辐射效应，高强度的辐射会造成电子芯片发生单粒子效应，最常见的就是单粒子翻转，比如存储器中原来存储的“0”变为“1”，或者“1”变为“0”，导致系统功能紊乱，严重时会发生灾难性事故。
“这不同于我们平时作预报，这样大的工程任务容不得一丁点失误。”钟秋珍告诉记者，每个预报岗位都设置主岗、副岗，反复核实结果，哪怕是一个文字上的使用都很慎重。
“嫦娥一号发射时我们探了个路，嫦娥二号发射时我们健全了相关的规范，到嫦娥三号，我们已经建成了一个比较成熟的月球探测空间环境保障系统。”钟秋珍自豪地告诉《中国科学报》记者。
（原载于《中国科学报》 2013-12-02 第6版 跨月特刊)
