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从月球是否属于“深空”谈起

朱毅麟   

  1. 中国空间技术研究院
  • 出版日期:2004-03-15 发布日期:2004-03-15

Comments Starting with “Is the Moon A Deep Space Planet?”

Zhu Yilin   

  • Online:2004-03-15 Published:2004-03-15

摘要: 以中国人家喻户晓的神话人物“嫦娥”命名的探月计划一期工程已经正式启动。中国计划于2007年发射首颗月球卫星的消息,将成为继“神舟”载人飞船之后,国人及世界关注的新热点。
中国政府发布的《中国的航天》白皮书在“未来发展”一节中,提出“开展以月球探测为主的深空探测预先研究”。这里显然是把月球划在“深空”的范围内。但不久前有人著文称,国际电信联盟的《无线电规则》(1988年)第1.177款规定:所谓“深空”是指与地球的距离大于或等于2×106km的空间,而月球到地球的距离是3.8×105km,不能使用深空探测的频率。
深空是深空间(deep space)的简称,是相对于近地空间(near earth space)而言。深空与近空之间不存在客观的、清晰的界限。按多大距离划分,完全是人们根据自己的需要和认识规定的。例如权威性的《中国大百科全书·航空航天卷》对“深空”的定义是“距地球等于或大于地月平均距离(约38.4万公里)的空间”。
关于太空(外层空间)中不同空间区域的划分、界限的规定出现分歧意见,是常有的事。
首先,因为太空中不同空间区域之间大都不存在像地球的陆地、海洋、大气层之间那样一目了然的分界线。
其次,一些特定的空间、轨道等名称前冠以远近、高低、大小、深浅等限定词,本来就是一种模糊的、相对的概念,硬要用某一精确值或特征标记来表示,其理由总有不够充分之处。
第三,不同行业、不同学科,由于研究对象、应用目的、出发点等不同,对同一名词术语的理解不同,给出的涵义有差别,也是难免的。
更有甚者,某些航天大国出于自身功利主义目的,影响以至拒绝对某些航天名词加以统一。突出的例子就是“太空(外层空间)的下限”——离地面多大高度以上是太空,既没有科学上准确的数值,也没有国际法规定的数值。航天技术的发展已近半个世纪,至今,关于太空的起始高度,人们只能使用一些并不规范的说法,例如100多公里以上、100英里(161公里)以上或100~200公里以上等。当然,太空与大气层的界线难以划分也存在一定的客观原因:大气密度是随着距地面高度而连续地、逐渐地变小的,大气层与太空之间不存在“非此即彼”的明显分界线。
太空中不同空间区域名称的使用以空间科学界与航天技术界最多,通常由他们给出定义。航空与无线电通信界有时也使用。“隔行如隔山”,不仅“深空”一词的定义出现分歧,其他一些空间区域名称的定义也或多或少存在一些问题,需要通过讨论,达成共识。
本文拟对几个常用的“空间”名称的定义作初步探讨。以下名词的定义凡有出处者:《词典》是指中国空间科学学会编,科学出版社出版的《空间科学词典》;《航空航天卷》指《中国大百科全书·航空航天卷》。
地球空间(earth space):这是一个偏正结构的词组,按字面正确的理解应为“地球的空间”或“地球所在的空间”。但实际使用时,它往往代表“地球附近的空间”,或按《航空航天卷》解释,“指地球引力的作用范围,其半径距地心约93万公里”,或“地球磁层所及的范围,其半径距地心约为6.5万公里”。这就使“地球空间”一词产生歧义。笔者建议废除“地球空间”一词,而分别用“近地空间”、“地球引力空间”和“地球磁场空间”代之。
近地空间(near earth space):《词典》定义为“地球周围的大气层外空间,一般指绕地球沿椭圆轨道运动的飞行体活动范围”。该定义没有给出“近”的定量数值,而定性描述的范围似乎太宽了。沿椭圆轨道运动的飞行体可以离地球很远,到达几万千米甚至几十万千米(例如,到达距地球38.4万千米的月球处),那里还能算近地空间吗?
《航空航天卷》把“地球静止轨道高度(约3.58万公里)及其以下的空间”称为近地空间,即近地空间是一个以地球为中心半径,约3.58万千米的球形空间。这个定义较《词典》的定义合理、准确。
地月空间或月地空间(cislunar space):《词典》定义为:“地球与月球之间的空间,或地球与月球轨道之间的空间”。这个定义是明确的。但仔细推敲发现,地球与月球(轨道)之间构成的是一个平面(白道面)而不是“空间”。空间应该是三维的,在垂直月球轨道面的方向应具有一定的厚度。地月空间似应为一个以地球为中心、平均半径为38.4万千米,厚度为若干千米的扁柱形区域。
日地空间(solar-terrestrial space):这是一个很常用的名词,但《词典》和《航空航天卷》均未列条目。它指“太阳与地球轨道之间的空间”。但这样的定义与上条“地月空间”似乎存在同样的问题:日地空间应该是一个三维空间,在垂直轨道平面(黄道面)方向有一定的厚度,构成一个以太阳为中心、日地距离(1.5亿千米)为半径的一定厚度的扁柱形区域。
环月空间(circumlunar space)或近月空间(near lunar space):《词典》定义为“月球周围的空间。一般在研究飞行体轨道时用”。“环月”也好,“近月”也罢,该定义没有规定范围——离开月球多远?笔者建议,以地月系统中月球的引力范围作为环月或近月空间,这个空间是一个以月球为中心,月球引力作用距离66100km为半径的球形区域。
深空(deep space):《词典》定义为“载人或不载人的飞行器围绕地球运动最远的极限轨道以外的空间区域”;《航空航天卷》的定义为:“距地球约等于或大于地月平均距离(约38.4万公里)的空间”。《词典》的“围绕地球运动的最远的极限轨道”中“最远的极限”在哪里,令人费解。相比之下,《航空航天卷》的定义显然明确清楚得多。至于国际电联的“大于或等于200万千米”的定义只限于无线电通信频率分配时使用。
太空(空间)探测器(space probe):《词典》定义为:“脱离地球飞往其他天体的无人航天器”。这个定义有个缺点,它把月球探测器给排除在外了,月球探测器是不脱离地球的。《航空航天卷》给出的定义较为准确:“对月球和月球以远的天体或空间进行探测的无人航天器”。这个定义明确提出月球属于深空。空间探测器也可叫做深空探测器。
地球与月球本来是一家,它们围绕一个共同质心转动。今后有朝一日,地球与月球之间的航天飞行变得方便、经常化,月球离我们不再那么遥远了。到那时,我们就可以把月球从深空“升格”为近空(间)。此乃是后话。
航天技术中使用得较多的名词不是“空间”,而是“轨道”。有关轨道的术语,同样存在一些歧义,需要研究、推敲,例如:
地球轨道(earth orbit):这是一个偏正结构词组,按字面的解释应为“地球的轨道”或“地球的运行轨道”。具体说就是“地球绕太阳运行的轨道”。但是实际上,这个词在文献中,特别是国外的文献中,都表示“绕地球(运行)的轨道”,因而极易产生误解。笔者认为earth orbit一词应正确理解为“环绕地球运行的轨道”。按其本意译成“环地轨道”,而不要直译为“地球轨道”。
月球轨道(lunar orbit):同理,国外文献中常用的“月球轨道”,指的是“环绕月球的轨道”而不是“月球的运行轨道”。所以,月球探测卫星最终进入的轨道是“环月轨道”,而不是“月球轨道”。当探测器成为月球卫星在环月轨道上运行时,它同时伴随月球在“月球(环绕地球的)轨道”上运行。在我们的文章中谈到卫星的轨道时,尽量不要用“地球轨道”和“月球轨道”。
近地轨道(near earth orbit)或低地轨道(LEO——low earth orbit):指离地球较近或离地面高度较低的环绕地球运行轨道。从词语的构成来看,近地轨道更合乎中文构词法,概念清楚,表示“离地面近的轨道”;而“低地轨道”是从英文low earth orbit译过来的,正确理解应为“低的地球轨道”而不能理解成“低地球的轨道”,后者没有物理意义。如前所述,“地球轨道”这个词有歧义,所以用“近地轨道”比“低地轨道”更合乎汉语习惯。
进一步的问题是“近”、“低”如何量化,离地面多少高度以下才算近或低。低、中、高,本是相对而言,同时,从普遍性来说,环地轨道一般是椭圆形的,其近地点可能很低,而远地点又可能很高。对“中高轨道”、“高轨道”下定义也存在同样的难题。国内从事航天轨道研究的专家在审订国家军用标准《轨道术语》时,对低、中、高轨道的高度范围进行过多次讨论,至今没有得出一个统一的标准。
在国外资料中,亦罕见有关轨道高度的定量数据。目前,有一个国际组织——机构间空间碎片协调委员会(IADC)在其编制的《IADC空间碎片减缓指南》中给出了低地轨道的定义为:“平均高度在2000km以下的地球轨道”。将这一定义延伸,可以把“平均高度在2000km到地球静止轨道高度(35800km)之间的轨道”定义为“中高轨道”。
空间科学和航天技术两大学科之间还有不少共用的名词,其定义有待讨论统一,本文恕不赘述。长期以来经常碰到的一个看起来很简单却困扰我们的问题,就是英文单词space,在什么情况下译成“太空(空间)”,什么情况下译成“航天”。笔者曾抛砖引玉,提出一条建议:“当一个名词表示出入太空,开发和利用太空的活动及有关航天器的事物时,用‘航天’;当一个名词表示太空中的特定场所、位置,太空中的自然事物与固有特点,及对它们的描述与研究时,用‘太空’或‘空间’”。是否可取,有待听取各方的意见。