月球南極探測著陸工程選址建議

張 熇，杜 宇，李 飛，張 弘，馬繼楠，盛麗艷，吳 克

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

引 言

作為地球唯一天然衛(wèi)星，以及距離最近的天體，月球一直以來被視為人類飛出地球，邁向深空領(lǐng)域的重要門戶。從1959年蘇聯(lián)發(fā)射第1個(gè)月球探測器至今，人類共開展了118次無人和載人探月活動，參與國家和組織包括美國、俄羅斯、中國、歐洲、日本、印度、以色列等。20世紀(jì)50—70年代，人類掀起了第1輪月球探測高潮，主要是出于政治和軍事的需求。從20世紀(jì)90年代開始，國際上又掀起了第2輪探月高潮，已經(jīng)轉(zhuǎn)換為科學(xué)驅(qū)動引領(lǐng)和資源利用目標(biāo)。這20多年間，人類共開展了17次探月活動，獲得了大量的月球探測數(shù)據(jù)，并積累了寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)。隨著對月球科學(xué)認(rèn)識的不斷加深，人類已經(jīng)從最開始的對月球探索性研究，到如今的全面深入研究、資源利用探索，甚至是月球基地的構(gòu)想。

20世紀(jì)90年代“克萊門汀號”（Clementine）探測器發(fā)回的數(shù)據(jù)顯示：在月球南極的永久陰影區(qū)的地表層下很可能存在著水冰，自此以后，月球南極便成為了新一輪探月活動的熱點(diǎn)區(qū)域。第2輪探月高潮后，包括月球極區(qū)探測的任務(wù)共9次，均為遙感探測，尚未有國家和組織對月球南極開展過著陸探測任務(wù)。未來，各國都將對月球南極的著陸探測視為搶占先機(jī)、開發(fā)資源、展示自身航天實(shí)力的大好機(jī)會。美國特朗普政府已經(jīng)啟動了重返月球計(jì)劃，聯(lián)合多個(gè)國家建造“月球軌道平臺–門廊”，作為著陸月球和通往深空的“跳板”，預(yù)計(jì)于2024年再次實(shí)現(xiàn)載人登月；同時(shí)批準(zhǔn)多家私營公司登陸月球，將無人月球探測任務(wù)交由商業(yè)公司，而月球南極也成為著陸探測的重點(diǎn)區(qū)域。歐洲提出了“月球村”概念，計(jì)劃以國際合作的方式在月球南極建立集科學(xué)研究、商業(yè)、旅游業(yè)于一身的永久太空基地。俄羅斯規(guī)劃的“月球25號”（Luna-25）、“月球26號”（Luna-26）、“月球27號”（Luna-27）、“月球28號”（Luna-28）都將月球南極作為探測的目標(biāo)區(qū)域。此外，日本和印度等國家也對月球南極探測躍躍欲試，并實(shí)施了相應(yīng)的計(jì)劃?？傊?，世界航天強(qiáng)國或組織爭相在月球“跑馬圈地”，且目標(biāo)大多瞄準(zhǔn)月球南極。我國也在規(guī)劃后續(xù)月球南極著陸探測的任務(wù)。月球南極著陸探測具有非常重要的科學(xué)價(jià)值，同時(shí)也面臨技術(shù)挑戰(zhàn)。

科學(xué)方面：月球上最古老、規(guī)模最大的南極–艾特肯（South Pole Aitken，SPA）盆地的邊緣位于該區(qū)域。對該區(qū)域的研究，有望揭示月球深部物質(zhì)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和熱流特征等以及巖漿洋結(jié)晶和殼幔分異的機(jī)理。由于緯度和地形遮擋，該地區(qū)存在永久陰影區(qū)，有望對可能存在的水冰進(jìn)行直接證認(rèn)，有助于了解月表水及其他揮發(fā)分的性質(zhì)、來源和儲量。

工程方面：由于緯度和海拔的原因，在一些地勢較高的區(qū)域（如山頂、山脊、撞擊坑的坑緣處等），存在著較月球中緯度地區(qū)更長時(shí)間的光照區(qū)域，部分區(qū)域全年光照時(shí)間甚至可以達(dá)到80%。良好的光照條件可以提供持續(xù)的太陽能，這為開展長時(shí)間復(fù)雜的探測活動提供了可能。不過月球南極環(huán)境具有持續(xù)低溫、地形地貌特征復(fù)雜、太陽高度角低、對地?zé)o法連續(xù)可見等特點(diǎn)，為工程實(shí)施帶來了極大的難度和挑戰(zhàn)。

著陸探測任務(wù)首先要選取合適的著陸區(qū)，不僅要滿足科學(xué)目標(biāo)需求，而且還應(yīng)具備工程可實(shí)現(xiàn)性，在選擇著陸區(qū)時(shí)主要關(guān)注著陸區(qū)的光照、地形地貌、溫度和測控通信等條件。

1 光照條件分析

著陸區(qū)的光照條件是設(shè)計(jì)著陸器太陽翼的重要考慮因素，另外也影響著陸期間光學(xué)敏感器的效果，是著陸區(qū)選擇的重要參考條件之一。同時(shí)月球兩極附近可能存在揮發(fā)物，且揮發(fā)物主要儲存在無光照的永久陰影區(qū)[1]，因此，月球兩極附近的光照條件一直是學(xué)者研究的重要方面。

月球北極指向與黃道面北極指向存在1.54°的夾角[1]，在不考慮地形高程前提下，以一個(gè)恒星月為周期標(biāo)準(zhǔn)，月球模型的南極點(diǎn)的太陽高度角在約 ± 1.54°之間變化，方位角在0～360°變化。然而，由于太陽高度角較低，且地形比較復(fù)雜，在分析光照條件時(shí)，必須要考慮地形高程對于光照的遮擋。由于對月球極區(qū)附近環(huán)境的了解不足，使得早期的工作無法對極區(qū)地形建立前瞻性模型，直到有了衛(wèi)星拍攝圖像，才為極地光照的條件分析提供了最初的約束[2]。從“克萊門汀”任務(wù)開始，歷次環(huán)月遙感任務(wù)均通過光學(xué)相機(jī)和激光高度計(jì)獲得了極區(qū)高程數(shù)據(jù)，并且識別出永久陰影區(qū)和長時(shí)間持續(xù)光照區(qū)。目前，對于月球極區(qū)光照條件最新的研究結(jié)果來自于對LRO（Lunar Reconnaissance Orbiter）上搭載的激光高度計(jì)LOLA（Lunar Orbit Laser Altimeter）獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算，并加入了散射光的影響，長時(shí)間的對兩極光照條件進(jìn)行模擬，精確地描述了月球極區(qū)特有的永久陰影區(qū)和長時(shí)間持續(xù)光照區(qū)的特點(diǎn)。

通過對LOLA數(shù)據(jù)的分析仿真，得到了若干個(gè)月球章動周期（18.6年）內(nèi)的月球極區(qū)光照情況[3]，如圖1所示?？茖W(xué)家對該區(qū)域的照度和光照時(shí)間進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在89.5°S區(qū)域，照度和光照時(shí)間都達(dá)到了最大值（80%以上），即所謂的連續(xù)光照區(qū)，在月球80°S以南區(qū)域，平均太陽光照時(shí)間超過80%的區(qū)域總面積可達(dá)5 km2[4]。除持續(xù)光照區(qū)外，科學(xué)家們還對太陽光始終無法直射的永久陰影區(qū)進(jìn)行了分析，研究結(jié)果顯示永久陰影區(qū)存在于86°以上的緯度范圍，并給出了月球南極永久陰影區(qū)的分布圖，如圖2所示。LOLA的探測結(jié)果表明月球南極永久陰影區(qū)總面積為16 055 km2，約占南極總面積的5.8%，且多集中于南極點(diǎn)附近[3]。

圖1 月球極區(qū)的平均光照情況（百分比）Fig. 1 Average illumination of the lunar polar region（percentage）

因此，為滿足著陸就位科學(xué)探測任務(wù)和水冰探測任務(wù)的完成，著陸區(qū)應(yīng)盡量選取高程較高的持續(xù)光照區(qū)，且在此前提下應(yīng)盡量靠近永久陰影區(qū)，以方便水冰探測任務(wù)的實(shí)施。

圖2 月球南極永久陰影區(qū)分布（紅色區(qū)域代表較大區(qū)域的永久陰影區(qū)，藍(lán)色區(qū)域代表較小區(qū)域的永久陰影區(qū)）[3]Fig. 2 Distribution of permanent shadow regions at the Moon's south pole（red regions represent permanent shadow regions of larger regions，and blue regions represent permanent shadow regions of smaller regions）[3]

2 地形地貌條件分析

月面遍布著大大小小的撞擊坑和石塊，月海相對平坦，高地則比較崎嶇。著陸點(diǎn)的局部地形情況，包括坡度、撞擊坑和石塊等，對著陸器能否安全著陸并保持穩(wěn)定姿態(tài)有重要影響。探測數(shù)據(jù)表明，月球南極地形復(fù)雜，軟著陸探測的工程難度要高于中低緯度區(qū)域。典型區(qū)域的高程、坡度和石塊分布情況如下文所述。

利用LRO的數(shù)據(jù)對南極地形地貌進(jìn)行分析（85oS～ 90oS之間），其高程分布如圖3所示。由圖3可知：月球南極的平均高程～1 km，最高處約為7 027 m，最低處約為7 297 m。

圖3 月球南極高程測量結(jié)果（85°S～90°S）Fig. 3 Measurement results of the south pole elevation of the Moon（85°S～90°S）

1）撞擊坑分布

撞擊坑是月球南極表面最常見的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，科學(xué)上比較關(guān)注的撞擊坑，如沙克爾頓（Shackleton）撞擊坑、舒梅克（Shoemaker）撞擊坑、霍沃思（Howarth）撞擊坑和斯蒂尼（Faustini）撞擊坑內(nèi)均存在可能存在水冰的永久陰影區(qū)，上述撞擊坑分布如圖4所示。

圖4 沙克爾頓撞擊坑、舒梅克撞擊坑、霍沃思撞擊坑和斯蒂尼撞擊坑位置分布Fig. 4 The location distribution of Shackleton crater，Shoemaker crater，Haworth crater and Faustini crater

撞擊坑也是影響著月球表面著陸安全的重要因素[5]。較大的撞擊坑內(nèi)由于地形的遮擋，光照、通信及溫度條件都極為惡劣，探測器若著陸在撞擊坑內(nèi)，將很難長時(shí)間生存。一般而言，撞擊坑附近表面的地形起伏和坡度很大程度上取決于它的尺寸[6]。撞擊坑的深度（一般為直徑的20%）和坑緣的高度（一般為直徑的4%）導(dǎo)致的落差可能會使坑內(nèi)表面地形起伏超過50 cm。直徑在4～10 m的撞擊坑坑內(nèi)會有地形起伏較大的隱患。直徑大于10 m的撞擊坑，內(nèi)部可能會存在表面坡度過大的問題。另外，由于月球南極地區(qū)的太陽高度角很低，撞擊坑內(nèi)可能會形成陰影區(qū)，但南極附近的撞擊坑多為成年撞擊坑，坑內(nèi)的坡度一般小于15°，坑緣也較低，沒有進(jìn)一步增大著陸的難度。

2）坡度分布

月球南極不同于中緯度地區(qū)，高程變化較大，因此坡度也較中緯度區(qū)域復(fù)雜得多。對LRO的LOLA獲得的月球南極區(qū)域高程數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度分析，40 m基線的分析結(jié)果如圖5 ～ 6所示，可以看出，大部分地區(qū)的坡度在10°以內(nèi)。撞擊坑坑壁和坑緣處的坡度較大，一般在20°～30°之間。32°以上坡度幾乎不存在，該區(qū)域整體平均坡度約為10°。

圖5 月球南極區(qū)域坡度分布Fig. 5 Slope distribution in the south polar region of the Moon

圖6 月球南極區(qū)域坡度統(tǒng)計(jì)Fig. 6 Slope statistics of the south polar region of the moon

LRO的窄視角相機(jī)（Lunar Reconnaissance Orbiter Camera Narrow Angle Camera，LROCNAC）和LOLA提供了月球南極極點(diǎn)處沙克爾頓撞擊坑附近的高程數(shù)據(jù)，如圖7所示[7]，其中LROCNAC的基線為8 m，LOLA的基線為10 m。分析結(jié)果表明該區(qū)域坡度主要分布在0 ～ 30°，部分區(qū)域坡度較高，甚至可以達(dá)到70°以上，但本文作者認(rèn)為這些坡度異常高的點(diǎn)為數(shù)據(jù)異常點(diǎn)。

為驗(yàn)證上述數(shù)據(jù)，進(jìn)一步對沙克爾頓附近的區(qū)域進(jìn)行坡度分析。選擇了沙克爾頓撞擊坑的一個(gè)截面，跨越兩側(cè)坑緣，利用LRO的激光高度計(jì)數(shù)據(jù)，分析得出沿著截面的坡度分布，剖面圖及坡度分布圖如圖8所示。可以看出最大坡度出現(xiàn)在坑壁處，可達(dá)到35°左右。坑底最為平坦，最大坡度在10°左右，坑緣處坡度介于坑壁坡度和坑底坡度之間，最大坡度在20°左右。

圖7 LROC和LOLA對同一區(qū)域的坡度測量結(jié)果[7]Fig. 7 Slope measurements of the same area by LROC and LOLA[7]

圖8 沙克爾頓撞擊坑截面與坡度分布（80 m基線）Fig. 8 Shackleton crater cross section and slope distribution（80 m baseline）

綜上所述，月球南極的坡度基本上在35°以內(nèi)，撞擊坑的坑壁是坡度最大的區(qū)域，坑緣次之，坑底和其他區(qū)域坡度較為平緩。

3）石塊分布

大的石塊在月球表面也十分常見，會為著陸器的著陸帶來隱患，有可能導(dǎo)致著陸時(shí)著陸器部分結(jié)構(gòu)損壞。因此需要對潛在著陸點(diǎn)附近的石塊進(jìn)行詳盡的分析，NAC像素尺度在0.6 ～ 1.0 m之間，可以識別到小至1 ～ 2 m的石塊。

根據(jù)LRO數(shù)據(jù)，對南極部分區(qū)域的石塊數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在所有研究的區(qū)域里，并沒有發(fā)現(xiàn)石塊均勻分布的區(qū)域。石塊經(jīng)常以幾十塊或者上百塊的團(tuán)簇形式分布，而團(tuán)簇的尺寸也大小不一。在沙克爾頓坑坑緣附近的4 km × 2.5 km范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)的石塊數(shù)量為820個(gè)，最大的石塊直徑為18 m，最小的為1.3 m[5]。

綜上所述，月球南極地形地貌較為復(fù)雜，主要體現(xiàn)在撞擊坑多、坑壁和坑緣處坡度較大、坑底處相對平坦，但石塊分布并無異常。

3 溫度條件分析

對于著陸器的月面生存，溫度是一個(gè)重要的環(huán)境因素。對于月球極區(qū)的永久陰影區(qū)（如撞擊坑底部），由于陽光永遠(yuǎn)無法照射，永久陰影區(qū)內(nèi)溫度極低，表層和次表層溫度常年維持在40 K左右；而在海拔比較高的區(qū)域，如撞擊坑坑緣、山頂、山脊等地區(qū)，往往能得到長時(shí)間連續(xù)的光照，溫度也相對較高。利用模型對月球兩極太陽輻照度進(jìn)行分析，南北極地區(qū)地表太陽輻照度范圍在0～38 W/m2，地表溫度約為100～160 K[9]，月球兩極變化曲線如圖9所示。

圖9 月球兩極時(shí)間變化曲線[9]Fig. 9 Time variation curves of s lunar poles[10]

LRO搭載的月球探測輻射計(jì)（Diviner Lunar Radiometer Experiment，DLRE）繪制了月球南極區(qū)域的熱輻射紅外光譜圖，如圖10所示[10]。結(jié)果表明，月球南極表面白天溫度約為160 K，部分地勢較高區(qū)域，由于光照條件較好，溫度可達(dá)200 K以上；而夜晚表面溫度降至約100 K甚至更低，部分持續(xù)光照區(qū)由于仍可接受到太陽光的照射，溫度依然可達(dá)200 K以上；溫度最低的區(qū)域就是較大撞擊坑底部的永久陰影區(qū)，始終維持在40 K左右的溫度。研究表明這些區(qū)域唯一的熱源來自于較遠(yuǎn)處可接受到陽光照射的坑壁的紅外輻射。由于坑底地形的因素，這微弱的紅外輻射也會被一定程度的遮擋，從而導(dǎo)致極度寒冷的局部區(qū)域，以至于正午測得的輻射亮度可低至29 K。來自月球內(nèi)部的熱量流動可能會導(dǎo)致這些最冷的表面的整體熱量平衡，但與此季節(jié)的散射光和紅外輻射相比，它的作用微乎其微。

文獻(xiàn)[10]研究顯示當(dāng)某一區(qū)域的最高溫度低于110 K的時(shí)候，水冰和揮發(fā)分將無法逃逸，對于月球南極緯度高于82.5°的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)處在這種低溫環(huán)境下的區(qū)域仍有約1.1 × 104km2。主要集中在南極點(diǎn)附近幾個(gè)受關(guān)注度最高的撞擊坑，如沙克爾頓撞擊坑、舒梅克撞擊坑、霍沃思撞擊坑和斯蒂尼撞擊坑，該區(qū)域全年最高溫和平均溫度的分布如圖11所示。對比這幾個(gè)坑的最高溫，發(fā)現(xiàn)最冷的是霍沃思撞擊坑，最高溫度約為60 ～ 80 K；其次是舒梅克撞擊坑，最高溫約為70～95 K；斯蒂尼撞擊坑的最高溫約為85～95 K；溫度最高的是沙克爾頓坑，最高溫度約為95～105 K。而對于全年平均溫度，沙克爾頓坑約為70 K，其他3個(gè)撞擊坑的全年平均溫度都在40 K左右。這可能是因?yàn)樯晨藸栴D坑相比其他3個(gè)撞擊坑尺寸較小，且周圍地勢較高，受光照影響，該區(qū)域溫度較高，受月球內(nèi)部的熱流影響較大[10]。

綜上，月球南極表面整體呈現(xiàn)低溫狀態(tài)，永久陰影坑內(nèi)更是深低溫的溫度環(huán)境，因此在著陸區(qū)的選擇上，應(yīng)盡量選取溫度較高的區(qū)域，即海拔比較高的區(qū)域。盡管如此，著陸器仍然要面臨著低溫的挑戰(zhàn)，特別是水冰探測任務(wù)，將在幾十K的溫度環(huán)境下進(jìn)行。

4 測控條件分析

探測器著陸后，著陸器須保證與地面站的通信。著陸區(qū)是否直接對地可見，對于通信鏈路的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在理想球狀態(tài)下，分析了月球南極對地可見弧段。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)對地連續(xù)每日可見的最高緯度在82°S，83°S以上無法實(shí)現(xiàn)對地每日可見，需要利用中繼星進(jìn)行對地通信。

以沙克爾頓坑一點(diǎn)（89.6°S，148.2°W）為例來分析全年對地的測控弧段及俯仰角和方位角的關(guān)系，如圖12所示。分析表明，沙克爾頓坑每月有半個(gè)月每日均對地可見，可見弧段一般在9～17.8 h內(nèi)變化（不考慮個(gè)別出現(xiàn)的最小弧長約5 min）。對地方位角的變化范圍是149°～163°，對地俯仰角的變化為0～ 6.5°，如圖13所示。

圖10 月球探測輻射計(jì)在月球南極極晝期間測得的月球南極區(qū)（80°S至南極點(diǎn)）范圍內(nèi)的表面和次表面溫度分布圖，（a）正午期間表層和潛表層的溫度分布情況；（b）午夜期間表層和潛表層的溫度分布情況；（c）全年平均溫度分布情況；（d）模型計(jì)算出的水冰在月壤中升華率低于1 kg/m2每10億年的深度[10]Fig. 10 The surface and subsurface temperature profiles of the moon's south pole region（80°S to South Pole）during the polar day of the moon's south pole as measured by the lunar probe radiometer（a）the temperature distribution of surface and subsurface layers during noon；（b）the distribution of surface and subsurface temperatures during midnight；（c）annual average temperature distribution；（d）the sublimation rate of water ice in lunar soil calculated by the model is less than 1 kg/m2 per billion years

圖11 沙克爾頓撞擊坑、舒梅克撞擊坑、霍沃思撞擊坑和斯蒂尼撞擊坑附近溫度Fig. 11 Temperature near Shackleton，Shoemaker，Haworth and Faustini crater

圖12 沙克爾頓坑全年對地的測控弧段Fig. 12 The communication duration of Shackleton Crater throughout one year

如果選取83°S以上區(qū)域作為著陸區(qū)，可實(shí)現(xiàn)每日直接對地可見，但是方位角變化較小，俯仰角較低，易受遮擋影響，且在永久陰影坑對水冰進(jìn)行探測的時(shí)候，無法實(shí)現(xiàn)與地面的通信，中繼鏈路對于月球南極著陸探測任務(wù)是必要的。

圖13 沙克爾頓坑全年對地測控的俯仰角和方位角關(guān)系Fig. 13 The relationship between the elevation angle and the azimuth angle of the earth in Shackleton Crater

5 著陸區(qū)選擇建議

與以往的月球探測著陸區(qū)選擇不同，在月球南極表面，太陽光幾乎平行于月表，形成了既有永久陰影區(qū)又有長時(shí)間連續(xù)光照區(qū)的特殊光照條件，且光照極易受地形條件遮擋，這都為著陸區(qū)的選取增加了難度?；诠庹諚l件的考慮，著陸區(qū)應(yīng)選取在海拔較高的持續(xù)光照區(qū)，而這種區(qū)域往往出現(xiàn)在撞擊坑的邊緣或高山的山頂，崎嶇的地形也為后續(xù)的軟著陸和巡視探測等帶來了挑戰(zhàn)。月球南極就位探測最大的亮點(diǎn)是對永久陰影區(qū)的水冰就位證認(rèn)，為兼顧該科學(xué)目標(biāo)，著陸區(qū)不宜與目標(biāo)永久陰影區(qū)相距過遠(yuǎn)。在此基礎(chǔ)上，選擇局部地勢較為平坦的區(qū)域，以盡可能保證著陸安全。基于以上原則，初步選取了4個(gè)區(qū)域（沙克爾頓撞擊坑、霍沃思撞擊坑、舒梅克撞擊坑和坎布斯撞擊坑），10個(gè)著陸點(diǎn)，歸納總結(jié)如表1所示。

表1 目標(biāo)撞擊坑及其附近初選著陸點(diǎn)匯總Table 1 Summary of target craters and their adjacent primary landing sites

6 結(jié) 論

針對月球南極極區(qū)環(huán)境進(jìn)行了初步分析，包括光照、地形地貌、溫度和測控等條件，提出了南極著陸區(qū)選擇的原則：應(yīng)選取在海拔較高的持續(xù)光照區(qū)，且不宜與目標(biāo)永久陰影區(qū)相距過遠(yuǎn)。基于以上原則，初步選取了4個(gè)區(qū)域，10個(gè)著陸點(diǎn)，為后續(xù)月球極區(qū)著陸任務(wù)的實(shí)施提供參考。