俄羅斯“月球-全球”和“月球-資源”探月任務(wù)

魯暘筱懿 平勁松 V．Shevchenko

（1 中國科學(xué)院國家天文臺月球與深空探測重點實驗室，北京 100012）

（2 俄羅斯國立莫斯科大學(xué)天文臺，莫斯科 119000）

1 引言

20世紀(jì)50-70年代，蘇聯(lián)先后開展了29次探月活動，其中19次達(dá)到預(yù)定效果，為以后的探月任務(wù)提供了大量且必需的技術(shù)儲備。其中包括：探測器-5（Probe-5，1968年）和 探 測 器-7（Probe-7，1969年）成功開展了繞月飛行，模擬登月的環(huán)境試驗；向月球發(fā)射了著陸器，解決了在月面的軟著陸問題。2015-2025年，俄羅斯的探月計劃分三期實施。第一期：2015年由聯(lián)盟號運載火箭向月球南極區(qū)域發(fā)射月球-全球-1（LUNA-Glob-1）著陸器，用于研究極區(qū)月坑的月表成分、月坑地區(qū)凝結(jié)的揮發(fā)性物質(zhì)成分，獲取高分辨率圖像等。2016年發(fā)射月球-全球-2（LUNA-Glob-2）軌道器。2017年發(fā)射月球-資源-1（LUNA-Resource-1）月球極區(qū)著陸器，與該著陸器一起發(fā)射的還有印度的月球探測軌道器月船-2（Chandrayaan-2）。第二期：2020-2023年，向月球極區(qū)釋放2 輛月球車——月球車-3、4，它們分別裝載在月球-資源-2（LUNA-Resource-2）和月球-資源-3（LUNA-Resource-3）著陸器上。按計劃，著陸器將攜帶月球車在月球極區(qū)實施軟著陸，進(jìn)行現(xiàn)場勘測。2025年再發(fā)射一個月球采樣返回器月球-資源-4（LUNA-Resource-4），它可把月球車采集的月球樣品帶回地球。第三期：2025年后，以前期研制的“地球-月球-地球”運輸系統(tǒng)、月球軌道器、月球車、采樣返回器等為基礎(chǔ)，開發(fā)一系列能夠在月面自動操作的功能設(shè)施，建設(shè)集月球勘探、科學(xué)研究、采樣返回等功能于一體的“月球-實驗場”自動化無人月球基地［1］。由于第三期項目任務(wù)復(fù)雜，技術(shù)難度高，耗資巨大，因此能否真正實施還存在諸多不確定因素。

本文主要介紹了俄羅斯“月球-全球”和“月球-資源”月球探測器的科學(xué)載荷和科學(xué)應(yīng)用目標(biāo)，分析了其應(yīng)用前景，針對中國的探月計劃提出了幾點建議。

2 “月球-全球”探測器

“月球-全球”探月任務(wù)是蘇聯(lián)時期探月工程的延續(xù)，是俄羅斯科學(xué)家對世界新一輪探月高潮的回應(yīng)，除科學(xué)目標(biāo)外，重在檢驗工程體系，整合技術(shù)資源，培養(yǎng)和鍛煉人才隊伍。月球-全球-1著陸器（即Luna-25，延續(xù)蘇聯(lián)時期月球探測任務(wù)編號，下同）是俄羅斯新探月工程的第一步，預(yù)計2015年由“天頂”系列運載火箭于東方發(fā)射場擇機(jī)發(fā)射。著陸器質(zhì)量為1450kg，采用軟著陸方式在月面著陸，主要承擔(dān)技術(shù)驗證和月表物質(zhì)成分探測等一系列基礎(chǔ)性科學(xué)任務(wù)。計劃于2016年發(fā)射的月球-全球-2軌道器，總質(zhì)量為2100kg，主要承擔(dān)月球全球資源探測、全月影像拍攝等科學(xué)任務(wù)，以及為后續(xù)探月任務(wù)考察預(yù)定著陸點等工程任務(wù)。月球-全球-1、2的總?cè)蝿?wù)目標(biāo)包括：①拍攝全月面月球影像圖；②研究月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和月球南極區(qū)月坑內(nèi)部結(jié)構(gòu)；③勘探月球的自然資源；④為后續(xù)月球著陸器選定一個或多個著陸區(qū)；⑤研究微粒子流和電磁輻射對月球的作用和影響［2］。

2．1 月球-全球-1著陸器

月球-全球-1著陸器（見圖1）的任務(wù)包括：①執(zhí)行一系列月震實驗；②開展月表風(fēng)化層力學(xué)與強度特性的研究；③分析月表火成巖基本元素的含量；④分析月表巖石含水量。

圖1 月球-全球-1著陸器Fig．1 LUNA-Glob-1lander

圖2為月球-全球-1著陸器飛行設(shè)計方案。“天頂”系列運載火箭把著陸器送入200km 的近地軌道，然后上面級動力裝置把著陸器送入地月轉(zhuǎn)移軌道，著陸器將飛行4．5天后到達(dá)月球。這一飛行方案已在蘇聯(lián)月球-9和月球-13（1966年）探月任務(wù)中得到了實際應(yīng)用［3］。在飛行過程中，月球-全球-1著陸器先釋放高速穿探器模塊，該模塊攜帶有10個可獨立飛行的高速穿探器。到達(dá)預(yù)定高度時，10個高速穿探器分2批飛向月球。第1批（5個）沿著10km直徑的圓環(huán)射向月面，它們彼此的間距大致相等，形成外環(huán)；第2批（5個）沿著直徑5km 的圓環(huán)均勻分布，形成內(nèi)環(huán)［4］。此后，攜帶有寬頻月震探測計和攝像機(jī)的2個穿探器分離，并在月面著陸，它們之間的距離不超過300km［5］。最后，著陸器在月球極區(qū)實施著陸，并開展預(yù)定科學(xué)探測任務(wù)。

圖2 月球-全球-1著陸器飛行設(shè)計方案Fig．2 Flight design program of LUNA-Glob-1lander

2．2 月球-全球-2軌道器

月球-全球-2軌道器（見圖3）的任務(wù)包括：①研究月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)；②勘探可利用資源（尤其是月球極區(qū)區(qū)域水的分布和含量）；③開展月面著陸器與軌道器之間的通信試驗。

圖3 月球-全球-2軌道器Fig．3 LUNA-Glob-2orbiter

月球-全球-2軌道器攜帶的科學(xué)有效載荷可以對月面進(jìn)行高分辨率遙感探測；測定選定區(qū)域月巖的物理特性和成分［6］；探測水信息或開展其他研究。軌道器裝有接收天線，可接收著陸器、穿探器發(fā)送的無線電信號，然后通過定向天線發(fā)送給地球站。它帶有足夠的推進(jìn)劑，采用由俄羅斯科技公司改進(jìn)開發(fā)的夾心板熱控系統(tǒng)和輕型太陽電池板結(jié)構(gòu)支架，可長期在軌工作；另外，還裝有月球軌道無線電波探測器，可完成光譜和宇宙射線能量研究。軌道器將向月面發(fā)射多個穿探器，完成月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究任務(wù)。穿探器由實施探測的科學(xué)儀器和制動系統(tǒng)組成，每個穿探器的質(zhì)量為15kg。它們將高速鉆入月面，穿透時的速度為2．5km／s，穿透深度為10～15m，過載能夠達(dá)到10 000gn。穿探器所攜帶的窄帶月震波探測計，可沿著直徑10km的外環(huán)帶和直徑5km 的內(nèi)環(huán)帶鉆入月面，獲得的月震信息將由天線發(fā)送出去［7］。圖4為月球-全球-2軌道器飛行示意圖。

圖4 月球-全球-2軌道器飛行示意圖Fig．4 LUNA-Glob-2orbiter flight profile

2．3 科學(xué)載荷

月球-全球-1著陸器采用軟著陸技術(shù)，具有體積小、質(zhì)量小的特點。它將對月球南極地區(qū)進(jìn)行一系列的科學(xué)探測，包括探測撞擊坑區(qū)表層的水含量。著陸器上攜帶的無線電信標(biāo)機(jī)和月震儀，將對后續(xù)開展的月球動力學(xué)研究發(fā)揮重要作用。月球-全球-2軌道器是在月球-全球-1著陸器的基礎(chǔ)上開展的探月任務(wù)，以獲取月球全球影像和探明資源分布為主要科學(xué)目標(biāo)，它所提供的月球全球高分辨率影像，將對后續(xù)探月任務(wù)以及月球基地的建設(shè)意義重大。圖5為月球-全球-2軌道器的關(guān)鍵載荷。

1）無線電信標(biāo)機(jī)

無線電信標(biāo)機(jī)（Radio-beacon Transmitter，RBT）見圖5（a）。它安裝在著陸器上，采用8．4 GHz和33．4GHz頻段，頻率穩(wěn)定度為5×10-13（小于100s）和1×10-13（小于1000s）。其主要科學(xué)目標(biāo)為：配合地基射電望遠(yuǎn)鏡開展月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究；配合測量“月球-全球”著陸器和軌道器之間的相對位置，以研究月球重力場變化。工程目標(biāo)是為未來著陸器和軌道器提供無線電航標(biāo)。

2）氣體復(fù)合分析儀

氣體復(fù)合分析儀（Gas Analytic Complex，GAC）見圖5（b）。它內(nèi)置差熱分析儀、氣相色譜儀和質(zhì)譜儀。其主要科學(xué)目標(biāo)為測量著陸區(qū)月表的揮發(fā)性物質(zhì)和特定元素及其同位素的揮發(fā)性質(zhì)。

3）激光質(zhì)譜儀

激光質(zhì)譜儀（Laser Mass Analyzer，LASMA）見圖5（c）。它以“火衛(wèi)一探測器”（Phobos-Grunt）搭載的同類型儀器為原型研制，內(nèi)置采集樣品的激光蒸發(fā)系統(tǒng)和質(zhì)譜儀，測量月表的揮發(fā)性物質(zhì)，以及月球風(fēng)化層中特定元素及其同位素的揮發(fā)性質(zhì)。

4）紫外成像光譜儀

紫外成像光譜儀（UV-Opical Spectrometer-Imager，UVOSI）見圖5（d）。它主要在3個光學(xué)譜段對月面成像。其光度測量集中在278～1052nm 之間，主要科學(xué)目標(biāo)為測量月表月壤和巖石的物質(zhì)成分。

5）中子-伽瑪頻譜儀

中子-伽瑪頻譜儀（Active Detector Gamma-ray and Neutron，ADRON）見圖5（e）。其中：中子發(fā)生器測量月表成分；測量脈沖中子源發(fā)射中子，以研究月表構(gòu)成。中子-伽瑪頻譜儀以“火衛(wèi)一土壤返回”（Phobos Soil Return）和“火星科學(xué)實驗室”（MSL）探測器的相關(guān)儀器為原型研制。其主要科學(xué)目標(biāo)為：測量中子脈沖發(fā)射后月球次表層機(jī)構(gòu)中的氫氣含量；測量伽瑪射線脈沖發(fā)射后月球次表層結(jié)構(gòu)的組成成分。

6）微顆粒測量儀

微顆粒測量儀（PmL-dust Detector，PmL）見圖5（f）。它對撞擊顆粒測量的準(zhǔn)確性為1×10-12～1×10-14N·s；測量月壤基本物理性質(zhì)變化值可達(dá)到10～12C。該儀器以“火衛(wèi)一土壤返回”探測器相關(guān)儀器為原型研制。其主要科學(xué)目標(biāo)為：測量月塵質(zhì)量分布與差異；探測月表微隕石和分化層次粒子分布。

表1為“月球-全球”探測器的科學(xué)載荷。

圖5 月球-全球-2軌道器的關(guān)鍵載荷Fig．5 Main scientific payloads of LUNA-Glob-2orbiter

表1 “月球-全球”探測器的科學(xué)載荷Table 1 Scientific payloads of LUNA-Glob

3 “月球-資源”探測器

俄羅斯將在2017年向月球極區(qū)發(fā)射月球-資源-1著陸器（Luna-27），其總質(zhì)量為250kg，其中制動發(fā)動機(jī)質(zhì)量約為180kg，進(jìn)入速度為80～100km／s，最大過載為500gn，到達(dá)月面前過載降低到200gn，使用緩沖氣囊進(jìn)行軟著陸［8］。著陸器用于研究月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、極區(qū)月坑的月表（月壤和月巖）成分、月坑地區(qū)凝結(jié)的揮發(fā)性物質(zhì)的成分，獲取高分辨率圖像等。著陸器將裝載質(zhì)量-能譜儀、月球攝像機(jī)、伽瑪頻譜儀、中子頻譜儀等設(shè)備。隨月球-資源-1一同發(fā)射的還有印度研制的月船-2月球軌道器。該發(fā)射計劃將在印度斯里哈里科塔發(fā)射場由印度GSLV-2運載火箭執(zhí)行。

2020年后，俄羅斯將向月球極區(qū)釋放分別裝載在月球-資源-2和月球-資源-3著陸器上的月球車-3和月球車-4。與蘇聯(lián)時期的月球車-1、2相比，月球車-3、4將擁有更小的體積和質(zhì)量，裝有可長時間供應(yīng)能源的核電池，以及更多的科學(xué)載荷。月球-資源-2著陸器（見圖6）所攜帶的月球車-3，將獨立在月球極區(qū)表面完成長達(dá)5年、總里程達(dá)30km 的行走和科學(xué)探測活動，利用隨車攜帶的鉆探取樣機(jī)械臂完成對月面以下2m 處的鉆探取樣工作，還將為后續(xù)月球車及其他登月科學(xué)載荷提供先期技術(shù)可靠性驗證（如測試集成熱控系統(tǒng)）。月球-資源-3著陸器將在2022年前后發(fā)射，采用緩沖氣囊軟著陸方式在月球車-3最終停留的月面極區(qū)工作地點著陸。2025年，利用月球-資源-4的返回艙將月球車-3、4先期采集的月球樣品帶回地球。采集樣品獲取的科學(xué)數(shù)據(jù)將用于完善后續(xù)月球無人值守基地的設(shè)計和建設(shè)。

4 前景分析

俄羅斯的“月球-全球”和“月球-資源”探月任務(wù)，既是蘇聯(lián)時期探月計劃的延續(xù)，又是進(jìn)入新世紀(jì)以來人類深空探測計劃的重要組成部分。該任務(wù)的實施將解決諸如地月間運輸系統(tǒng)、長時間無人照料月面基站運行等工程技術(shù)問題，以及極區(qū)月面資源（特別是水的分布情況）等科學(xué)問題，為未來人類在月面建立有人基地和繼續(xù)開展深空探索提供技術(shù)驗證的必要條件及前哨基地。經(jīng)過長期的技術(shù)經(jīng)驗積累，俄羅斯航天系統(tǒng)建立了一套較為完整的質(zhì)量控制系統(tǒng)，但由于經(jīng)濟(jì)等多方面的原因，該系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)差強人意。俄羅斯的航天及其深空探測部門本著鍛煉磨合隊伍的目的，提前開展具有月面軟著陸特點的月球-全球-1著陸器任務(wù)。后續(xù)開展的“月球-資源”著陸器任務(wù)，將會驗證著陸氣囊技術(shù)和月球車月面自動勘測技術(shù)，開展對著陸區(qū)表面月壤物質(zhì)成分的自動測量和分析，將是搭載多種科學(xué)載荷的月面科學(xué)實驗室，是未來在月面建設(shè)自動化多功能月球基地的重要組成部分。

圖6 月球-資源-2著陸器Fig．6 LUNA-Resource-2lander

5 啟示與建議

俄羅斯新探月計劃的第一期如能順利實施，將會極大地提高整個深空探測系統(tǒng)的技術(shù)可靠性和工程技術(shù)應(yīng)用能力，推動月球科學(xué)和行星科學(xué)的發(fā)展。第一期是以發(fā)展月球科學(xué)為主要目標(biāo)，諸如月面月塵、微隕石等基本月球環(huán)境的探測和測量，都是為下一步建立月球基地作準(zhǔn)備。此階段的工程技術(shù)目標(biāo)以檢驗和改進(jìn)已有的火星探測器研發(fā)技術(shù)、研制月球探測器為主。綜合上文對俄羅斯新探月計劃的分析，結(jié)合國際上其他探月計劃實施的經(jīng)驗，針對中國探月工程“繞、落、回”三步走的總體發(fā)展思路，提出以下3點建議，可為中國正在開展的探月工程提供借鑒和參考。

（1）以科學(xué)研究為主要目的推動探月任務(wù)的實施。注重了解月面的地質(zhì)地貌、可利用資源的含量及分布，利用月球樣品研究月球的演化。這也是后續(xù)建立月球基地的前提和基礎(chǔ)。

（2）以建立月球基地為目標(biāo)分步驟實施探月計劃。開展諸如月面極區(qū)水冰分布和準(zhǔn)確含量的探測，可用于基地建設(shè)的化學(xué)元素的分布含量及利用方法的研究，與基地選址和建設(shè)緊密相關(guān)的月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究，長期有人值守的月球基地的建造原理研究，以及星地鏈路信息傳輸技術(shù)、月球動力學(xué)和行星物理學(xué)等方面的研究。按照中國探月工程“繞、落、回”三步走的總體發(fā)展思路，建議在探月二期和三期工程中著重對月球背面及月球兩極地區(qū)進(jìn)行探測。

（3）開展國際合作，借鑒和創(chuàng)新國外探月技術(shù)。中國開展深空探測，尤其是月球探測計劃，是從本國的科學(xué)和工程技術(shù)的實際水平出發(fā)，合理而高效地統(tǒng)籌利用已有人才、技術(shù)和物質(zhì)資源，走好中國式深空探索的每一步。與此同時，借鑒國外在探月科學(xué)及行星探測方面的成熟經(jīng)驗，可在諸如深空探測器研制、月球樣品取樣與分析等領(lǐng)域開展務(wù)實合作研究。中國即將發(fā)射的嫦娥三號月球探測器，其主要目的是實現(xiàn)月球軟著陸和巡視探測任務(wù)，在巡視活動中抓取月壤并進(jìn)行分析，將得到的有關(guān)數(shù)據(jù)直接傳回地球，后續(xù)可與俄方開展相關(guān)合作研究。

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