探月零距離

紫　曉

我國月球探測二期工程已全面啟動。二期工程是一期工程的深化和突破，它的實施將實現(xiàn)我國月球探測工程的跨越式發(fā)展和月球科學(xué)研究的重大突破。與“嫦娥一號”繞月探測的一期工程不同，二期工程最關(guān)鍵的是“落”，要把探測器直接送到月球上，對月球進行直接的，零距離的探測。

科學(xué)與應(yīng)用愿景

我國月球探測工程首席科學(xué)家歐陽自遠在闡述月球探測二期工程科學(xué)目標(biāo)的時候指出：我國月球探測二期工程將是期工程的跨越式發(fā)展，探測對象由“面”變?yōu)閰^(qū)域性的“點、面、內(nèi)部”一體化的綜合性探測，探測方式是月球軟著陸探測和月面巡視勘察。

我國科學(xué)家認為，月球探測二期工程將通過對著陸區(qū)和巡視區(qū)的區(qū)域性精細探測，實現(xiàn)對月球的地形地貌，地質(zhì)構(gòu)造，礦產(chǎn)與能源等資源，以及日－地－月空間環(huán)境與月基天文觀測等綜合科學(xué)探測任務(wù)。我國科學(xué)家在廣泛論證調(diào)研的基礎(chǔ)上，初步提出了二期實施“月球軟著陸探測和月球車巡視勘察”的四項總體科學(xué)目標(biāo)：

1月球形貌與地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查

探測內(nèi)容主要包括探測區(qū)的月表形貌探測與地質(zhì)構(gòu)造分析，探測區(qū)撞擊坑的調(diào)查與研究，探測區(qū)的月壤特性，厚度與月殼淺層結(jié)構(gòu)探測等三個方面。

2月表物質(zhì)成分和可利用資源調(diào)查

月球物質(zhì)成分是了解月球演化歷史的關(guān)鍵。月球科學(xué)最為基礎(chǔ)的工作是獲取月球的化學(xué)成分，巖石類型及其分布規(guī)律。月球蘊藏著豐富的礦產(chǎn)和能源資源，開發(fā)和利用月球資源是人力進行月球探測的源動力之一。探測內(nèi)容主要包括探測區(qū)礦物組成與化學(xué)成分的就位分析和探測區(qū)礦產(chǎn)和能源資源調(diào)查等。

3月球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)研究

月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)是研究月球形成和演化歷史的基礎(chǔ)。探測月震和小天體引起的月震波可以反演月球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。探測內(nèi)容主要包括月震與小天體撞擊的記錄與研究、月球軌道參數(shù)的精確測量與月球動力學(xué)研究等。

4日－地－月空間環(huán)境探測與月基天文觀測。

日－地－月空間環(huán)境是影響人類生存與發(fā)展的重要因素。探測內(nèi)容主要包括地球等離子層的極紫外探測與研究，太陽系外行星系統(tǒng)，星震和活動星系核的光學(xué)觀測與研究，月表空間環(huán)境探測與研究等內(nèi)容。

歐陽自遠院士認為，我國科學(xué)家提出的“月球軟著陸與月球車巡視勘察”的科學(xué)目標(biāo)具有如下的特點：(1)選擇與以往不同區(qū)域著陸；(2)月面軟著陸就位探測與月球車巡視勘察二者同時進行并有機結(jié)合，將獲得比以前更有意義的探測成果，(3)國際上首次利用測月雷達實測月壤厚度(1～30米)和月殼巖石結(jié)構(gòu)(1～3千米)；(4)國際上首次在軟著陸器上利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器精確測定地月間距離，進行月球動力學(xué)研究；(5)首次在月球上采用極紫外相機觀測太陽活動和地磁擾動對地球空間等離子層極紫外輻射的影響，研究該等離子層在空間天氣過程中的作用；(6)國際上首次進行月基光學(xué)天文觀測，研究太陽系外行星系統(tǒng)、星震等。

我國月球探測二期工程的應(yīng)用目標(biāo)包括構(gòu)建月球探測航天工程體系。月球探測是深空探測的起點，在現(xiàn)有人造地球衛(wèi)星航天工程系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建的月球探測航天工程體系，將來可以應(yīng)用于火星探測和其他深空探測任務(wù)。其次是工程將產(chǎn)生大量科學(xué)數(shù)據(jù)，除了完成工程規(guī)定的科學(xué)目標(biāo)研究外，還可以進一步開發(fā)和挖掘，產(chǎn)生更多的應(yīng)用成果。月球探測產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和科學(xué)成果，可以應(yīng)用于月表系統(tǒng)圖件的繪制和月球科學(xué)研究，并帶動相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。

月球探測二期工程根據(jù)完成上述月球探測的科學(xué)目標(biāo)，將攜帶大約20種有效載荷，初步確定攜帶的有效載荷主要有軟著陸平臺配置的有效載荷，包括全色攝像／照相機、激光反射器、粒子激發(fā)x射線譜儀，紅外光譜儀、光學(xué)天文望遠鏡，極紫外相機、月震儀、空間環(huán)境探測器、降落相機等。而月球車配置的有效載荷有立體成像系統(tǒng)，測月雷達、粒子激發(fā)x射線譜儀，紅外光譜儀、質(zhì)譜儀等。

我國月球探測二期工程計劃2013年左右實現(xiàn)探測器首次月面軟著陸，采用“長征三號”B火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射，直接送入地球至月球轉(zhuǎn)移軌道，經(jīng)過中途修正和近月制動后，進入200千米高度的極月圓軌道；選擇適當(dāng)?shù)臅r機在預(yù)定著陸區(qū)域?qū)嵤┦状卧旅孳浿?，在月面展開就位探測，同時釋放月球車開展月面巡視勘察。著陸探測器和月球車在月面工作時間為3個月。整個任務(wù)期間將新建深空探測網(wǎng)，地面應(yīng)用系統(tǒng)負責(zé)接收和解譯科學(xué)探測數(shù)據(jù)。

細說關(guān)鍵點

面對我國月球探測二期工程這一新的領(lǐng)域，新的任務(wù)，需要突破的關(guān)鍵技術(shù)和環(huán)節(jié)很多，核心是能力建設(shè)。因此，需要在許多關(guān)鍵點上取得突破。

☆探測器系統(tǒng)總體方案設(shè)計

與“嫦娥一號”相比，設(shè)計思路也將有很大的不同，核心任務(wù)是實現(xiàn)探測設(shè)備登上月球，并進行科學(xué)探測。主要工程技術(shù)目標(biāo)是突破月球軟著陸、月球車及其它相關(guān)技術(shù)，研制和發(fā)射月球軟著陸探測器和月球車，建立月球探測航天工程基本系統(tǒng)。

☆月球車的研制

月球車是一種能夠在月球表面移動，完成探測、采樣，運載等任務(wù)的月球探測器。利用月球車對月面進行就位探測，是二期工程的重頭戲。月球車雖小，卻五臟俱全，技術(shù)含量非常高，需要突破月球車總體方案設(shè)計與優(yōu)化、月球車移動技術(shù)、定位、路徑規(guī)劃與控制等大量的新技術(shù)。

☆運載火箭發(fā)射

月球軟著陸探測任務(wù)具有發(fā)射要求速度增量大、入軌精度要求高、發(fā)射窗口較小、發(fā)射軌道需隨發(fā)射時間而改變等特點，因此，運載火箭面臨著提高運載能力、入軌精度和提高發(fā)射適應(yīng)性等關(guān)鍵問題。

☆測控通信

深空測控通信系統(tǒng)是人類與深空探測器聯(lián)系的通道和紐帶，在深空探測任務(wù)中起著關(guān)鍵的作用。由于深空任務(wù)周期長、通信時延大、鏈路帶寬有限、信號微弱、數(shù)據(jù)更加關(guān)鍵等一系列原因，使得深空測控通信實現(xiàn)起來更為困難，對星上和地面設(shè)備帶來新的挑戰(zhàn)。

☆月球軟著陸自主導(dǎo)航與控制

月球軟著陸的工程不同于地球軌道航天器的氣動返回。由于月面環(huán)境的不確定性和著陸軌跡的復(fù)雜性，需依靠探測器的制導(dǎo)與控制系統(tǒng)實現(xiàn)基于敏感器的自主導(dǎo)航。對月測速、測高及地形識別的敏感器是以往航天器上沒有使用過的，同時，對控制系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的發(fā)動機需研究延長壽命、提高比沖、多發(fā)動機組合等問題。

☆著陸器結(jié)構(gòu)與緩沖機構(gòu)

由于著陸器攜帶大量燃料、服務(wù)設(shè)備及科學(xué)儀器，考慮到架式結(jié)構(gòu)更適應(yīng)需求。大型承力式架結(jié)構(gòu)是我國以往航天器上沒有采用過的。著陸緩沖機構(gòu)是著陸安全的重要保證。需要可靠吸收著陸沖擊能量，并在一定的地形條件下，保證著陸器不反彈、不翻倒。

☆月面生存的熱控

月夜的惡劣溫度環(huán)境和沒有太陽可利

用給熱控帶來了極大的挑戰(zhàn)。同位素技術(shù)是解決探測器渡過漫長月夜的必須手段，在我國航天器上是首次使用。

☆月面工作機構(gòu)研制

探測器上的工作機構(gòu)需在月面1／6重力條件下工作，這是以往航天器所沒有設(shè)計過的。為滿足月夜月晝交替的需求，需實現(xiàn)機構(gòu)的重復(fù)展開與復(fù)位。為支持科學(xué)儀器的工作，需研究相應(yīng)的機械臂，并控制其完成預(yù)定的任務(wù)。

☆仿真與地面試驗驗證

軟看陸與巡視探測任務(wù)與典型的地球軌道航天器任務(wù)相比，具有較強的特殊性，所經(jīng)歷的環(huán)境條件更加復(fù)雜多變。在設(shè)計過程中，必須進行仿真與地面試驗驗證工作，達到與總體方案比較、關(guān)鍵技術(shù)問題分析，技術(shù)途徑驗證等目的。

怎樣選擇軟著陸區(qū)

為了完成月球軟著陸探測任務(wù)，這就涉及到著陸區(qū)的選擇問題。軟著陸區(qū)域的選擇應(yīng)該既能滿足科學(xué)探測的需要，又具有實現(xiàn)可行性。那么，選擇探測器軟著陸區(qū)應(yīng)該遵循哪些原則呢?

有利于實現(xiàn)科學(xué)探測目標(biāo)。

為了實現(xiàn)科學(xué)探測目標(biāo)，著陸區(qū)無疑應(yīng)該選擇在地質(zhì)現(xiàn)象豐富的地區(qū)，如月海和高地的接觸帶，大型山脈、典型撞擊坑構(gòu)造區(qū)域等，以滿足月球地質(zhì)研究的需要；著陸區(qū)應(yīng)該選擇在成熟月壤區(qū)和礦產(chǎn)資源豐富的地區(qū)，以滿足月球資源利用和研究的需要；著陸區(qū)的地質(zhì)現(xiàn)象和地理位置是國外所沒有探測過的，這樣既可以體現(xiàn)我國月球科學(xué)探測的獨特性，又可以與國外已經(jīng)開展的月球區(qū)域探測實現(xiàn)互補。

有利于工程的實施。

為了保證著陸器在月面著陸后不翻跟頭，月面軟著陸場必須選擇在相對平坦的地區(qū)。為了保證著陸器獲得持續(xù)的電源和有效的探測，著陸區(qū)的選擇要考慮到光照條件。盡管目前設(shè)計的看陸探測器的太陽電池可實現(xiàn)對日定向，但是，如果考慮到一定的地形遮擋等因素，要求太陽入射角只有在大于10度的情況下，才能滿足太陽電池的工作需求。

有利于與地球的通信聯(lián)系。為保證探測器在月面著陸后可以連續(xù)與地面通信，著陸區(qū)應(yīng)該選擇在月球正面。我們知道，月球只有一面始終對準(zhǔn)地球，而另一面則總是背向我們，這種情況使得月球正面與地球通信的可見區(qū)域分為永遠可見，有時可見和永遠不可見三種情況。經(jīng)過分析，月球正面可以連續(xù)保持與地面通信的區(qū)域為東西經(jīng)70度范圍內(nèi)，緯度在南北緯80度之問，因此，著陸點應(yīng)該選擇在這一區(qū)域內(nèi)。而在月球表面著陸后的探測器，與地面的可通信條件與環(huán)月飛行的探測器不同。為傳輸探測數(shù)據(jù)，需要使用高增益的定向天線。月面上一個固定點相對地面某個測控站的方位角與高度角在一年時間內(nèi)呈現(xiàn)周期性變化，這樣的角度變化對定向天線的波束寬度和轉(zhuǎn)動自由度設(shè)計有很大影響。因此，為滿足測控數(shù)傳的要求，要求定向天線具有兩軸轉(zhuǎn)動的能力。

衛(wèi)星軌道的可達性。

為了確保探測器能夠在預(yù)定的著陸點著陸，專家認為有三種環(huán)月軌道可以選擇：月球零傾角赤道軌道、月球傾斜軌道和月球極軌道。如果著陸區(qū)選擇在月球赤道，則選擇零傾角的環(huán)月軌道，可以保證每個軌道周期內(nèi)均有著陸機會，且測控條件較好。如果選擇極區(qū)，那么，只能選擇極軌道，才可保證每個軌道周期內(nèi)有著陸機會。但是對于位于赤道與極區(qū)間的著陸地區(qū)，可選擇軌道傾角大干著陸區(qū)緯度的軌道。軌道在個月球日內(nèi)對指定著陸區(qū)的著陸機會均只有一次。如果希望增加連續(xù)的著陸機會，則要做適當(dāng)?shù)能壍纼A角機動。由于月球自轉(zhuǎn)速度很慢，每大自西向東約轉(zhuǎn)動13.2度，平均每小時轱0.55度。對于一個軌道周期約!小叫的環(huán)月軌道來說，如果錯過了一次看陸機會后，可對衛(wèi)星進行一次小角度軌道傾角機五動，這樣就可以滿足下一個著陸機會的離求。理論上講，在地球上的給定發(fā)射場，對應(yīng)小同的環(huán)月軌道要求，總可以找到對應(yīng)的地球至月球轉(zhuǎn)移軌道。同時，計算表明，小同傾角的環(huán)月軌道，對地月轉(zhuǎn)移及近月制動所需要消耗的能量差別很小。因此，任何的著陸區(qū)在軌道設(shè)計上都是可實現(xiàn)的。

充分考慮著陸場的熱環(huán)境。

有關(guān)資料表明，對應(yīng)不同緯度，隨著太陽入射角(太陽光線與月面法向的夾角)從零度逐漸變大，月面溫度上升很快。而在太陽下山的過程中，太陽降溫過程也很快。在低于20攝氏度的低緯度地區(qū)，當(dāng)太陽入射角10度以上時，月面的環(huán)境溫度已升至零攝氏度以上，可以滿足探測器的工作溫度條件要求。而對于高緯度地區(qū)，太陽入射角要超過20度后，月面溫度才可能達到零攝氏度以上。因此，從熱環(huán)境的角度考慮，對于20度以下的低緯度地區(qū)，著陸區(qū)在著陸時刻的太陽入射角入于10度；隨著著陸區(qū)緯度的升高，要求著陸時刻的太陽入射角也增大。而任月夜期間，不同緯度地區(qū)的最低溫度基本相同，達到零下180攝氏度左右。對于20度以下的低緯度著陸區(qū)，考慮太陽入射角的影響，探測器在月球可以工作的時間大約為連續(xù)12個地球日。

隨著月球探測一期工程告捷，二期工程正以穩(wěn)健的步伐向前推進。我們期待著我國月球探測工程的連臺好戲。

責(zé)任編輯兆然