光學(xué)技術(shù)在中國月球和深空探測中的應(yīng)用

王照寰

摘 要：在新時(shí)期，中國探月、深空探測活動(dòng)如火如荼地開展，應(yīng)用光學(xué)技術(shù)于探月、深空探測工程中，能夠深入了解宇宙，滿足人們對目標(biāo)天體的認(rèn)知需求。本文在介紹光學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析當(dāng)前我國月球與深空探測工程的實(shí)施，最后重點(diǎn)探究光學(xué)技術(shù)在探月工程和深空探測工程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光學(xué)技術(shù);月球和深空探測;光學(xué)載荷

中圖分類號(hào)：V11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）28-0045-03

Discussion on the Application of Optical Technology in

Lunar and Deep Space Exploration in China

WANG Zhaohuan

（Shandong Normal University，Jinan Shandong 250014）

Abstract： In the New Era， China's lunar exploration and deep space exploration activities are in full swing. The application of optical technology in the lunar exploration and deep space exploration projects can deepen understanding of the universe and meet people's cognitive needs for the target celestial bodies. Based on the introduction of optical technology， this paper analyzed the implementation of the lunar and deep space exploration projects in China， and finally focused on the application of optical technology in the lunar and deep space exploration projects.

Keywords： optical technology;lunar and deep space exploration;optical payload

1 光學(xué)技術(shù)概述

光學(xué)發(fā)展經(jīng)歷了多個(gè)階段，各階段時(shí)間點(diǎn)及理論成果為：遠(yuǎn)古到16世紀(jì)（記錄光學(xué)現(xiàn)象）、16世紀(jì)中期至18世紀(jì)初（費(fèi)馬原理）、19世紀(jì)初至19世紀(jì)末（波動(dòng)理論）、19世紀(jì)末到20世紀(jì)初（光的量子理論）、20世紀(jì)60年代至今（衍生新理論分支）。目前，光學(xué)在精密計(jì)量、空間天文、紅外探測、高速攝影等方面廣泛應(yīng)用，特別是在月球與深空探測領(lǐng)域，光學(xué)技術(shù)效用十分顯著[1]。

2 當(dāng)前中國月球與深空探測工程的實(shí)施

2.1 嫦娥五號(hào)

嫦娥五號(hào)的探測以月面采樣返回為基本任務(wù)，探測人員高效整合國內(nèi)航天技術(shù)，并通過技術(shù)創(chuàng)新來展現(xiàn)核心技術(shù)，順利實(shí)現(xiàn)月面采樣、月球軌道對接、安穩(wěn)返回，一定程度上縮小了我國與發(fā)達(dá)國家在深空探測工程方面的差距。

2.2 嫦娥六號(hào)

嫦娥六號(hào)任務(wù)將根據(jù)計(jì)劃于2019年年底實(shí)施的嫦娥五號(hào)任務(wù)情況，確定在月球正面或背面南極附近實(shí)施采樣返回。由于嫦娥六號(hào)任務(wù)屬于備份項(xiàng)目，所以探測人員要進(jìn)一步強(qiáng)化測控能力，在月球樣品實(shí)驗(yàn)室建立、采樣點(diǎn)變更、載荷調(diào)整、目標(biāo)重置等方面做足充分準(zhǔn)備。

2.3 火星探測

我國首次火星探測任務(wù)計(jì)劃于2020年擇機(jī)實(shí)施，目標(biāo)是通過一次發(fā)射任務(wù)，實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞和著陸巡視，開展火星全球性和綜合性探測，并對火星表面重點(diǎn)地區(qū)精細(xì)巡視勘查。2019年11月14日，我國首次火星探測任務(wù)著陸器懸停避障試驗(yàn)在河北省懷來縣完成，此次試驗(yàn)是我國火星探測任務(wù)首次公開亮相，試驗(yàn)?zāi)M了著陸器在火星環(huán)境下懸停、避障、緩速下降的過程，對其設(shè)計(jì)正確性進(jìn)行了綜合驗(yàn)證。

3 光學(xué)技術(shù)在探月工程和深空探測工程中的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用載體——光學(xué)載荷

我國探月工程任務(wù)實(shí)施過程中，所搭載科學(xué)光學(xué)載荷設(shè)備數(shù)量超過25臺(tái)，約為全部探測載荷設(shè)備的1/2。

3.1.1 物質(zhì)組成與分布信息類載荷。深空探測人員主要借助各類光譜儀獲知可見光到近紅外波段的光譜信息，通過從廣度、深度兩方面挖掘數(shù)據(jù)信息得知物質(zhì)組成[2]。從探月工程任務(wù)可知，紅外成像光譜儀、火星礦物光譜探測儀在觀測數(shù)據(jù)獲取方面起發(fā)揮著重要作用。例如，嫦娥四號(hào)衛(wèi)星探測活動(dòng)中利用物質(zhì)組成與分布信息類載荷確定落區(qū)月壤中存在月球深部物質(zhì)，如橄欖石、低鈣輝石。需要說明的是，各類光譜儀往往與全景相機(jī)和其他巡視器聯(lián)合使用，以保證觀測數(shù)據(jù)的完整性和真實(shí)性。除此之外，探月工程搭載干涉成像光譜儀，并聯(lián)合γ/X射線譜儀，經(jīng)功能聯(lián)用對月球表面礦物質(zhì)進(jìn)行分類，通過二維光譜序列圖了解礦物分布情況。

首次火星探測任務(wù)實(shí)施的目標(biāo)之一即了解火星表面物質(zhì)組成。在任務(wù)開展過程中，應(yīng)客觀分析光譜帶圖像信息、等離子體發(fā)射光譜。同時(shí)，可聯(lián)用多光譜相機(jī)、具備激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的探測儀，為火星表面物質(zhì)元素成分分析提供有利條件。

3.1.2 形貌勘察類載荷。光學(xué)技術(shù)用于探月工程，形貌勘察類光學(xué)載荷設(shè)備在獲取星球信息中起著關(guān)鍵性作用。由于不同星球形貌勘察任務(wù)存在差異，所以要選用不同型號(hào)、不同裝置的形貌勘察類光學(xué)載荷設(shè)備，全面、真實(shí)地獲取星球表面的信息。除相機(jī)設(shè)備外，激光高度計(jì)也是重要的形貌勘察類光學(xué)載荷設(shè)備。激光高度計(jì)通過激光測距獲得探測數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲取高程信息。以嫦娥一號(hào)衛(wèi)星探測活動(dòng)為例，將激光高度計(jì)光學(xué)載荷與精密星歷有機(jī)結(jié)合，有效獲取了全月DEM圖（見圖1），進(jìn)而為形貌研究工作提供了有價(jià)值的信息，同時(shí)，滿足了公眾獲知月球全貌圖像的需求。

3.1.3 元素種類與豐度信息類載荷。月球探測任務(wù)接連完成，探測人員發(fā)現(xiàn)γ射線客觀存在。經(jīng)研究可知，月球表面?zhèn)€別元素在太陽X射線作用下形成X射線，這類射線的能譜呈現(xiàn)出多樣化特征。經(jīng)科學(xué)探測元素種類與豐度信息類載荷，客觀掌握元素類型及豐度信息，為元素分布圖繪制提供價(jià)值數(shù)據(jù)。其中，激發(fā)X射線譜儀在γ射線和X射線探測中發(fā)揮重要作用，實(shí)現(xiàn)探測范圍內(nèi)主量元素、微量元素高分辨測量。例如，嫦娥三號(hào)衛(wèi)星通過探測元素種類與豐度信息類載荷并進(jìn)行分析可知，其著陸巖石為月海玄武巖的概率較高（見圖2）。

3.1.4 等離子層成像類載荷。探月衛(wèi)星獲取地球等離子層成像信息時(shí)，安裝極紫外相機(jī)于著陸器上，實(shí)現(xiàn)極紫外觀測。當(dāng)出現(xiàn)磁層亞暴現(xiàn)象時(shí)，地球等離子體層大小發(fā)生變化。從某種程度上來講，電磁場是影響離子體層大小的重要因素。除了搭載極紫外相機(jī)外，還可以搭載月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，以滿足持續(xù)、穩(wěn)定監(jiān)測月球的需要。

3.2 光學(xué)技術(shù)探月趨勢

光學(xué)技術(shù)為空間科學(xué)事業(yè)發(fā)展及應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)支持，日后月球科研站、月球基地建設(shè)工作會(huì)逐步落實(shí)，經(jīng)功能分區(qū)來推動(dòng)月球科學(xué)研究活動(dòng)，以此提高月球資源利用率。除此之外，多項(xiàng)行星探測工作會(huì)提上日程，使光學(xué)技術(shù)與探月工程深度融合。

3.3 光學(xué)技術(shù)深空探測任務(wù)及應(yīng)用趨勢

3.3.1 深空探測任務(wù)。在光學(xué)技術(shù)作用下，深空探測活動(dòng)會(huì)逐步完成小行星探測任務(wù)、火星采樣返回探測任務(wù)、木星系探測及行星穿越任務(wù)，這三項(xiàng)任務(wù)實(shí)施目標(biāo)分別為主帶彗星環(huán)繞、火星取樣返回、行星際穿越探測。

3.3.2 應(yīng)用趨勢。光學(xué)發(fā)展空間日益廣闊，日后光子技術(shù)、光開關(guān)技術(shù)、信息光子技術(shù)、量子通信與量子密碼技術(shù)會(huì)取得突破式發(fā)展。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，光子技術(shù)在大容量、并行處理等方面的優(yōu)勢會(huì)全面顯現(xiàn)，并取得良好的信息傳輸效果，實(shí)現(xiàn)全光通信目標(biāo)。對于光開關(guān)技術(shù)，基于非線性光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)以光控光，使光學(xué)參量合理調(diào)控。將先進(jìn)的光學(xué)技術(shù)用于深空探測工程，有利于快速、全面地揭開深空星際面紗，為日后星空探測奠定良好的基礎(chǔ)。為更好地順應(yīng)信息時(shí)代的發(fā)展趨勢，應(yīng)深入開發(fā)光子技術(shù)，大力發(fā)展光子產(chǎn)業(yè)，以拓展光學(xué)技術(shù)在深空探測工程中的應(yīng)用空間[3]。

光學(xué)技術(shù)在深空探測中的應(yīng)用趨勢主要表現(xiàn)在以下幾方面。首先，探測設(shè)備輕小型化。當(dāng)前，月球及深空探測設(shè)備向輕型化、小型化發(fā)展，主要是因?yàn)橘Y源傳輸要求發(fā)生變化，對此要充分利用新工藝、新技術(shù)，將材料升級(jí)工作落到實(shí)處。例如，APS星敏感器具有質(zhì)量輕、體積小、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。其次，探測性能優(yōu)良化。由于科技發(fā)展速度較快，加之光學(xué)載荷性能逐步提升，所以探測設(shè)備空間分辨率相應(yīng)提高，這對探測物質(zhì)組成成分精細(xì)分析具有重要意義。再次，多載荷探測的協(xié)同化。當(dāng)前，深空探測工程在空間等離子體環(huán)境分析方面提出較高要求，對此，要多層面、多角度地獲取多源探測數(shù)據(jù)，這為多載荷協(xié)同探測提供前提條件。例如，聯(lián)用可見光相機(jī)、紅外相機(jī)、“半人馬”上面級(jí)探測LCROSS衛(wèi)星塵埃柱水分含量以及分布情況，所獲得的數(shù)據(jù)信息具有較高的參考價(jià)值和利用價(jià)值，能為LCROSS衛(wèi)星探測任務(wù)順利完成提供推動(dòng)力?？梢姡噍d荷協(xié)同探測具有現(xiàn)實(shí)性意義，是擴(kuò)大光學(xué)技術(shù)應(yīng)用范圍、高效完成深空探測任務(wù)的有效路徑[4]。最后，功能集成性。集成不僅是對實(shí)物設(shè)備而言的，而且包括深空探測任務(wù)。光學(xué)技術(shù)為星際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建設(shè)想實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支持，該項(xiàng)技術(shù)的有效應(yīng)用，能夠解決通信路徑損耗問題，并拓展光學(xué)載荷在多通道、多功能探測等方面的功能。例如，月球光譜礦物分析儀兼具成像、光譜測量等功能，其應(yīng)用范圍較廣，能實(shí)現(xiàn)空間廣闊利用、有機(jī)物質(zhì)準(zhǔn)確分析等目標(biāo)[5]。與傳統(tǒng)的紅外成像光譜儀相比，光譜礦物分析儀更具實(shí)用性和有效性，能夠更好地滿足深空探測需要，為深空探測工作起到基礎(chǔ)鋪墊作用，最終實(shí)現(xiàn)光學(xué)技術(shù)價(jià)值的全面發(fā)揮。

4 結(jié)語

中國探月工程取得了突破式進(jìn)步，并且“繞、落、回”三步走這項(xiàng)目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)。為保證后續(xù)規(guī)劃的星際探測任務(wù)高效實(shí)現(xiàn)，要有效應(yīng)用光學(xué)技術(shù)，并在光學(xué)設(shè)備、光學(xué)材料等方面進(jìn)行升級(jí)和創(chuàng)新。

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