嫦娥一号发射升空，它将如何飞向月球，怎样进行科学探测，可能遭遇何种意外，完成任务后又该何去何从。追随嫦娥一号的脚步，让我们逐一揭开现代嫦娥背负的科学使命。
　　
　　2007年10月底，中国西昌卫星发射中心，乳白色的“长征三号甲”火箭静静地竖立在焕然一新的3号发射塔旁待命发射，即将搭乘这枚火箭直冲云霄的，是中国第一颗深空探测卫星“嫦娥一号”。它要从这里启程，奔赴月球，执行我国首次月球探测任务。
　　
　　奔赴月球
　　
　　倒计时归零，轰鸣声划破山谷的寂静，火箭发动机喷射出的烈焰托着箭身徐徐上升，火箭上升速度越来越快，最后带着嫦娥一号消失在天空之中。长征三号甲火箭拥有出色的安全性能，在此次发射嫦娥之前，已经创下了连续14次成功发射的辉煌战绩，成功率高达100%，在长征系列火箭中享有“常胜将军”的美誉。它的运载能力也同样出色，可以把2.6吨的通讯卫星送入地球同步轨道。不过，同步轨道的高度还不到月球距离的1/10，火箭如何把重达2.35吨的嫦娥一号送到如此遥远的绕月轨道上呢？
　　升空148秒之后，第一级和第二级火箭分离，升空243秒之后，火箭整流罩脱落，升空271秒之后，火箭第二级和第三级分离。三级火箭再经过两次点火，进一步加速并提升高度。距离发射1442秒之后，卫星与运载火箭分离，三级火箭完成了它们的全部赛程，长征三号甲运载火箭也按要求将嫦娥一号探月卫星送入了过渡轨道。前后历时约24分钟，飞行距离超过8,500千米，飞行高度约320千米。
　　而后，嫦娥一号卫星依靠自身携带的燃料继续飞行。首先进入距离地面600千米的高度，此时氢氧发动机点火，把卫星送入近地点600千米、远地点51,000千米的椭圆形轨道。这条轨道的周期是16个小时。等卫星回到近地点时，氢氧发动机再次点火，给嫦娥一号加速，把它推入远地点71,000千米的椭圆形轨道。24小时后，嫦娥一号又一次回到近地点，氢氧发动机再次点火，进一步拉长卫星的轨道，使它的远地点达到12万千米，轨道周期则延长为48小时。这三次加速为嫦娥一号飞向月球奠定了基础。
　　当卫星又一次返回近地点时，氢氧发动机将最后一次点火工作，为嫦娥一号助推，把速度提升到10.8千米/秒，进入近地点600千米、远地点384,400千米的奔月轨道。然后，嫦娥一号就会按照测控系统发出的指令，直奔月球而去。在途中，嫦娥一号还会对轨道进行三次修正，确保嫦娥能够准确飞向月球。
　　在奔月轨道上飞行5天后，嫦娥一号抵达距离月球表面200千米的地方。卫星自带的发动机将反向点火，使速度减慢，以便卫星被月球的引力俘获，进入环绕月球的轨道。与在地球附近逐渐加速一样，在进入绕月轨道时也需要进行三次减速。最终进入距离月面200千米，飞经月球的南北两极，运行周期为127分钟的圆形轨道。此时，距离火箭发射已经有十几多天了，在接下来的一年时间里，嫦娥一号就要在这条轨道上执行它的绕月探测任务。
　　
　　
　　绘制月球立体地图
　　
　　嫦娥一号在绕月轨道上要完成的第一个任务，就是为月球绘制一幅完整的三维立体地图。月球表面没有大气层，几十亿年来一直经受小天体的持续撞击，表面覆盖了一层5米～10米厚的尘土和角砾，真正的基岩物质出露较少。所以，月球成分、地质构造、内部结构和演化等许多信息都必须从月球的地形地貌中提取。
　　通过月球地形地貌的探测与研究，我们可以精细划分月球表面的基本构造和地貌单元，探讨月球地质构造的演化历史；进行月球表面撞击坑的形态、大小、分布、密度等的研究，为类地行星表面年龄的划分和早期演化历史研究提供基本数据；还能为月球探测的后续工程，比如着陆点和月球基地的选择，提供基础数据和科学依据。因此，对月球表面形貌特征的探测、辨识、划分与研究，一直是国际月球探测的最重要内容之一。
　　为了绘制最完整的月球三维立体地图，嫦娥一号专门配备了两大法宝——CCD立体相机和激光高度计。
　　CCD立体相机可以在嫦娥一号绕月飞行的过程中，同时对卫星运行前侧、下方和后侧的三个条带状区域，拍摄三幅二维平面图片。图像传送到地面之后，对这些二维平面图进行处理，就可以绘制出月球表面的三维立体影像。月球南北纬70°之间的地区光照充足，CCD立体相机正好大显身手。随着嫦娥一号飞遍月面上的所有地区，南北纬70°之间的三维立体地图就可以绘制完成了。不过在月球的两极地区，太阳高度角很低，就像地球的南北极一样，太阳光能量不足，立体相机就很难得到清晰的图像了。
　　此时，就需要激光高度计出马了。激光高度计的原理很简单：先用激光器向卫星下方发射一束大功率激光，再通过望远镜接收月面反射回来的激光信号，从两者之间的时间差就可以精确计算出卫星到月球表面的距离。嫦娥一号在每一圈绕月飞行过程中，都会飞过月球的南北极区域，因此激光高度计的测量数据点在南北极区域最为密集。等数据积累到足够的程度，就可以绘制出两极区域的立体地图，就连那些永远得不到光照、处于永恒黑暗之中的盆地和撞击坑，也逃不过激光高度计的“火眼金睛”。在立体相机能够工作的区域，激光高度计也可以精确测量距离数据，帮助修正立体相机获得的三维地图，使地图更加准确。
　　
　　
　　探测月球物质成分
　　
　　嫦娥一号要完成的第二个任务，就是分析探测月球表面14种有用元素的含量和矿物类型的分布特点。这14种元素分别是氧、硅、镁、铝、钙、铁、钛、钠、锰、铬、钾、钍、铀及稀土元素钆。
　　对月球表面的元素丰度、矿物和岩石类型的全球分布进行探测和研究，是月球资源探测的主题。月球上的斜长岩富含硅、铝、钙、钠等元素；克里普岩富含钾、磷和稀土元素；玄武岩中的钛铁矿含量高达25%，总资源量高达100万亿吨。对月球岩石和矿物含量及分布进行的研究，将为未来开发和利用月球资源提供依据，为研究太阳系和地月系的起源与演化提供直接有效的科学证据。
　　为了在距离月面200千米的高空准确测量元素和矿物的分布，嫦娥一号配备了干涉成像光谱仪、γ射线谱仪和X射线谱仪。
　　干涉成像光谱仪是一种“图谱合一”的光学遥感设备，既可以得到月球表面目标的二维平面图像，也可以得到某个位置的连续光谱图。当阳光照射在月球表面上时，光线会与土壤、岩石和矿物发生相互作用，一些光线被吸收，一些被折射，还有一些会被反射。不同的矿物反射回来的光线中，光谱也会各有特点。干涉成像光谱仪探测到月面物质反射的可见光和近红外线，就能根据光谱的不同特点，推断出那里存在着何种矿物。干涉成像光谱仪将对月球进行全球成像，获取主要的造岩矿物（如橄榄石、辉石、斜长石）在月面上的含量与分布，编制相应的月球矿物分布图。
　　γ射线谱仪则是探测元素的行家里手。有些元素（比如铀、钍、钾）是天然放射性元素，它们的放射性同位素可以直接释放γ射线。其他元素（钛、硅、氧、铝、镁、钙、钠、锰、铬、铁和钆）本身不产生γ射线，但是太阳活动产生的质子和银河系高能宇宙射线会轰击它们，发生各种核反应，产生放射性核素。这些核素在衰变过程中就会释放出γ射线。γ射线谱仪会探测这些射线，根据它们独特的谱线特征，确定释放这些射线的元素种类。这些数据累积起来，就能绘制出14种元素的全月面分布图。
　　X射线谱仪则是γ射线谱仪的得力助手。月球表面的硅、铝、镁在太阳X射线的激发下，会产生荧光X射线。探测月球表面的X射线荧光，就可以获得它们的分布情况。再与γ射线谱仪探测到的结果相互印证，就可以提高这些元素的探测精度。

　　探测月壤厚度
　　
　　在地球表面，风化作用使岩石碎裂形成土壤。月球上虽然没有空气和水，但温差、不均匀热胀冷缩、太阳风和银河系宇宙线轰击、小天体和宇宙尘的撞击等其他因素，都会使月球表面岩石碎裂，在月球表面覆盖上一层碎屑和尘埃物质——这层覆盖物被统称为“月壤”。嫦娥一号的第三大任务，就是测量月球表面的微波辐射强度，从而反演月壤的厚度。
　　嫦娥一号上搭载了一台微波探测仪。微波探测仪不像雷达那样发射微波并接收反射的回波，它只是被动接收月壤发出的微波辐射。利用微波探测仪探测全月球表面的微波辐射强度，这在国际月球探测史上还是第一次。
　　
　　自然界中的一切物体，只要温度高于绝对零度（－273.15℃），每时每刻都在以电磁波的形式向外辐射能量，月壤也不例外。由于月球上没有大气，月球表面物质的热辐射可以直接被微波探测仪接收。微波的穿透能力也很强，一定深度的月壤发出的微波辐射，照样能够穿透上面覆盖的月壤，被微波探测仪接收。不同深度的微波辐射信号在强度和频率上都存在差异。接收同一地区不同深度的微波辐射信号，再对这些辐射信息进行综合研究，就可以推算出月球表面土壤的厚度。
　　土壤不像岩石那样坚硬，比较松散，方便加工成各种形状的建筑材料，也容易提取其中的各种资源。因此，估算月壤的厚度，对未来选择月球基地的建造地点十分重要。特别重要的是，月壤中含有一种十分重要的资源——氦-3。氦-3是可控核聚变发电的重要燃料，如果能够实现商业化发电，只需100吨氦-3就能满足全世界一年的用电量。所以，探明月球上月壤厚度的分布，不仅可以估算出月球上氦-3的总资源量，还可以知道哪些地区比较多，哪些地方比较少，为未来规划开采提供参考。
　　
　　探测地月空间环境
　　
　　在环绕月球飞行的过程中，嫦娥一号还要关注月球周围的空间环境。地月空间环境是人类生存发展的重要活动场所，但太阳耀斑和日冕物质抛射等剧烈活动经常造成巨大能量的突然释放，给地球磁层、电离层、中高层大气和月面环境带来严重影响，甚至危及人造卫星的运行和人类的健康（参见《环球科学》2006年第5期《暴怒的太阳》一文）。
　　在近地空间，由于受到地球磁场的作用，来自太阳的高能粒子会被阻挡和屏蔽，在一定程度上保护了人造地球卫星的安全。但是要想研究原始的太阳风、太阳宇宙线和行星际磁场，就必须跳出地球磁层的保护。月球距离地球38万千米，在运行到地球的向阳面时，会超出地球磁层的范围以外。此时，嫦娥一号就有机会探测行星际空间的原始状态，灵敏地监测太阳风的扰动和磁尾空间环境的变化。
　　嫦娥一号携带了一台高能粒子探测器和一台太阳风离子探测器。高能粒子探测器用来监测嫦娥一号飞行过程中遇到的高能带电粒子（电子、质子和重离子）的成分、能谱、通量和随时间变化的特征，这些带电粒子大都来自于太阳。太阳风离子探测器则用来探测太阳风离子和其他低能离子的能谱，从而推算太阳风的速度、离子温度和数密度等信息。
　　
　　遭遇月食
　　
　　执行以上四项科学任务，需要有充足的电力供应，这些电力则来自于卫星两侧的太阳能帆板。太阳能看似源源不断，但在嫦娥一号执行任务期间，至少会遭遇两场“能源危机”，原因很简单，就是我们非常熟悉的月食。月食期间，月球运行到地球的阴影之中，阳光被地球遮挡，嫦娥一号的太阳能帆板自然也就发不出电了。
　　每次月食，嫦娥一号的太阳能帆板都会“罢工”大约3个小时。这段时间内，卫星只能依靠自带的蓄电池单独供电，但蓄电池无法满足卫星正常运转的用电需求。这时，嫦娥一号就会启动一套应急预案，应对月食带来的挑战。
　　在月食开始之前，嫦娥一号会调整轨道姿态，让太阳能帆板正对太阳，最大程度地采集太阳能。这些电能一部分用来给蓄电池充电，确保月食开始时蓄电池电量充足，另一部分会最大限度地给卫星加热，确保嫦娥一号在月食期间不会“体温过低”。对嫦娥一号上各种设备的遥控操作也会在月食开始之前全部完成，以便降低嫦娥一号上计算机的工作压力。月食开始之后，嫦娥一号就会进入“休眠状态”，卫星上所有的设备仪器都会设定在最小功耗下运行。一旦月食结束，已经正对太阳的太阳能帆板马上全速开动，电力会首先用来加热卫星，尽快让嫦娥一号的“体温”恢复正常。
　　经受住月食考验的嫦娥一号将继续绕月飞行，需要一年的时间才能完成全部四项科学任务。任务完成之后，嫦娥一号不会再返回地球，它将最后一次启动发动机，减慢速度，像2006年欧洲空间局的“智慧一号”探测器一样，勇敢地撞向月球，结束我国第一次探月之旅。
　　不过月宫不会寂寞太久。2012年前后，探月二期工程就会实施，我国自行研制的月球车会再访月球，执行我国首次月球软着陆探测任务。随后，三期工程也开始实施，登月舱将再次拜访月宫，在月面上采集岩石样本送回地球。相信不久之后，中国人也将沿着嫦娥一号开辟的探月之路踏足月球，真正实现嫦娥奔月的梦想！