基于軌道任務(wù)幾何的“嫦娥五號”采樣區(qū)選擇

孟占峰，高 珊，彭 兢

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

引 言

“嫦娥五號”（Chang’E-5，CE-5）任務(wù)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)月球自動采樣返回。探測器由“長征五號”（CZ-5）運(yùn)載火箭在海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射，經(jīng)過經(jīng)過11個(gè)飛行階段，完成約1 731 g的月球樣品采集并將月球樣品安全送至地面。全飛行過程約23 d。

采樣區(qū)域選擇是“嫦娥五號”任務(wù)系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)的重要工作之一。采樣區(qū)域的位置直接影響了探測器系統(tǒng)研制的難度，還與地面應(yīng)用系統(tǒng)的科學(xué)需求和測控與回收系統(tǒng)的測控支持能力緊密相關(guān)。因此，采樣區(qū)域的選擇應(yīng)按照滿足任務(wù)工程可實(shí)現(xiàn)的前提下，兼顧任務(wù)的科學(xué)需求的原則開展工作。

著陸區(qū)的選擇是深空著陸探測和采樣返回任務(wù)的重點(diǎn)和首要問題，各個(gè)任務(wù)團(tuán)隊(duì)均開展了深入研究工作。Lewis[1]針對“阿波羅”（Apollo）任務(wù)，研究了月面著陸區(qū)的選擇問題，考慮了發(fā)射窗口、軌道設(shè)計(jì)和月面光照條件等約束，從地質(zhì)學(xué)角度對Apollo17的著陸區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和選擇[2]；Ivanov等[3]針對“月球25號”（Luna 25）即航天強(qiáng)國俄羅斯的“月球計(jì)劃”（Luna Glob）任務(wù)，主要從地形安全性角度對任務(wù)的著陸區(qū)選擇進(jìn)行了研究；Huang等[4]從地質(zhì)特征的角度對“嫦娥四號”（Chang’E-4，CE-4）任務(wù)的馮卡門撞擊坑著陸區(qū)進(jìn)行了詳盡的分析；MASURSK[5]研究了“海盜2號”（Viking 2）火星著陸器的著陸區(qū)選擇問題，提出了在著陸區(qū)選擇時(shí)要考慮安全性、科學(xué)價(jià)值和工程實(shí)施性等方面，這對“嫦娥五號”的采樣區(qū)選擇有很大的啟發(fā)；Spencer等[6]研究了“鳳凰號”（Phoenix）火星著陸器的著陸區(qū)選擇問題，該文從北緯65°～72°的條帶范圍內(nèi)，從地形分析角度，考慮著陸安全性對著陸區(qū)的精確位置進(jìn)行了選擇；Bonfiglio等[7]研究了“鳳凰號”火星探測器著陸區(qū)的誤差散布問題，這對于“嫦娥五號”著陸區(qū)的誤差范圍考慮起到了參考作用。Golombek等[8-9]研究了“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”（Mars Sciences Laboratory，MSL）和“洞察號”（Insight）探測器的著陸區(qū)選擇問題，詳盡分析了備選著陸區(qū)的各項(xiàng)物理學(xué)特性和地形特性，最終給出了精確的備選著陸區(qū)位置。

著陸區(qū)（采樣區(qū)）的選擇過程主要包括3個(gè)階段：第1階段，從工程實(shí)現(xiàn)可行性給出備選的著陸區(qū)域范圍；第2階段，在備選的著陸區(qū)范圍內(nèi)根據(jù)地形和科學(xué)價(jià)值選擇精確的著陸點(diǎn)；第3階段，在任務(wù)實(shí)施過程中，通過著陸器的光學(xué)設(shè)備和自主避障策略，在局部范圍內(nèi)選擇最終安全的著陸點(diǎn)。3個(gè)階段由宏觀到微觀，逐步收斂，最終確定著陸點(diǎn)的位置。

現(xiàn)有的研究內(nèi)容大都集中在第2階段，以地形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的分析和選擇工作。有關(guān)第3階段的策略也已經(jīng)相當(dāng)成熟，“嫦娥三號”（Chang’E-3，CE-3）和“嫦娥四號”也分別在月球的正面和背面進(jìn)行了實(shí)踐。而關(guān)于第1階段的選擇策略的研究鮮有發(fā)表。主要原因可能是其與探測器能力、飛行方案和任務(wù)目標(biāo)有著極其強(qiáng)烈的耦合關(guān)系，不易形成通用性的方法。

本文以“嫦娥五號”任務(wù)為背景，重點(diǎn)討論第1階段的采樣區(qū)選擇工作，從工程易實(shí)施、適應(yīng)范圍廣等方面，提出了一種月球自動采樣返回任務(wù)的采樣區(qū)的位置和范圍確定方法。所確定的采樣區(qū)范圍確保了由于運(yùn)載火箭原因造成的發(fā)射窗口從原定的2017年推遲到2020年，所設(shè)計(jì)的采樣區(qū)范圍和飛行軌道方案均保持不變。為保障探月三期任務(wù)如期完成奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本文首先以確保探測器任務(wù)時(shí)序安排緊湊、推進(jìn)劑消耗少、發(fā)射機(jī)會多并滿足各個(gè)分系統(tǒng)要求為原則，給出便于工程實(shí)施的可行采樣區(qū)范圍，然后再綜合考慮采樣區(qū)的地形安全性和科學(xué)價(jià)值確定最終的采樣區(qū)范圍。

1 月球返回采樣任務(wù)飛行過程

“嫦娥五號”月球無人采樣返回任務(wù)的飛行過程包括運(yùn)載發(fā)射、地月轉(zhuǎn)移、近月制動、動力下降、月面工作、月面上升、交會對接、環(huán)月等待、月地轉(zhuǎn)移和再入回收段等11個(gè)飛行階段，圖1給出了全飛行過程的示意圖。

圖1 “嫦娥五號”飛行過程Fig.1 Mission profile of Chang’E-5

探測器由運(yùn)載火箭發(fā)射入軌后，經(jīng)過112 h的能量最優(yōu)地月轉(zhuǎn)移軌道，到達(dá)近月點(diǎn)。之后經(jīng)過1 d的兩次近月制動，進(jìn)入目標(biāo)環(huán)月軌道。與軌返組合體分離后，著陸上升組合體經(jīng)過降軌變軌，開始動力下降。經(jīng)過2 d的月面工作，上升器與著陸器分離，開始動力上升進(jìn)入目標(biāo)軌道。經(jīng)過約2 d的交會，上升器與軌返組合體完成對接，并轉(zhuǎn)移月壤樣品至返回器，隨后分離。經(jīng)過約6 d的環(huán)月等待飛行，軌返組合體進(jìn)入111 h的能量最優(yōu)月地轉(zhuǎn)移軌道。在分離點(diǎn)返回器與軌道器分離，返回器完成再入回收后，任務(wù)結(jié)束。

2 環(huán)月時(shí)序與捕獲方式

2.1 動力下降前的時(shí)序安排

自首次近月制動點(diǎn)到動力下降起始點(diǎn)為環(huán)月等待段，環(huán)月等待段的飛行時(shí)序安排決定了對應(yīng)的飛行時(shí)間。

“嫦娥五號”探測器重量為8 200 kg，近月制動發(fā)動機(jī)推力為3 000 N，考慮到單次發(fā)動機(jī)工作時(shí)間限制，重力損耗量限制，誤差傳遞修正的限制等因素，“嫦娥五號”任務(wù)采用兩次近月制動方案。該方案將每次制動速度增量控制在400 m/s左右，發(fā)動機(jī)工作時(shí)間控制在20 min以內(nèi)，這對于近月制動高精度可靠實(shí)施起到了重要的作用。為了將2次近月制動均安排在國內(nèi)站弧段進(jìn)行，兩次變軌的間隔時(shí)間應(yīng)為整數(shù)天。按照盡可能縮短近月制動時(shí)間的原則，選擇兩次近月制動的間隔時(shí)間為1 d。

近月制動完成后到動力下降實(shí)施前，“嫦娥五號”探測器還需要實(shí)施兩個(gè)重要的飛行事件，分別為四器組合體分離和降軌變軌。為了有效安排測定軌弧段，兩個(gè)重要事件分別占用1 d的時(shí)間。因此，環(huán)月飛行段的飛行時(shí)間至少需要2 d，為了將飛行時(shí)序安排的最緊湊，減少不必要的環(huán)月等待，最終確定動力下降前的環(huán)月飛行時(shí)間為2 d。

綜上所述，近月制動需1 d，環(huán)月飛行需2 d，因此從首次近月制動到動力下降需3 d。這對采樣區(qū)域的經(jīng)度位置選取提出了很強(qiáng)的約束。

2.2 確定捕獲方式

由于近月捕獲時(shí)軌道月理升交點(diǎn)經(jīng)度基本不變，動力下降等待時(shí)間（自首次近月制動點(diǎn)到動力下降起始點(diǎn)的運(yùn)行時(shí)間）決定了采樣區(qū)域的月理經(jīng)度。

根據(jù)計(jì)算表明，對于給定的環(huán)月軌道傾角，地月轉(zhuǎn)移到達(dá)環(huán)月軌道的升交點(diǎn)經(jīng)度在較小范圍內(nèi)變化，在同一個(gè)發(fā)射窗口下雖然捕獲軌道的傾角可以隨意變化，但捕獲軌道的升交點(diǎn)經(jīng)度卻基本不變。

圖2給出了采樣區(qū)域與軌道面的幾何關(guān)系示意圖。將環(huán)月軌道傾角設(shè)計(jì)成高于采樣區(qū)域緯度，不考慮軌道攝動，認(rèn)為軌道面在慣性空間是靜止的，隨著月球旋轉(zhuǎn)，采樣區(qū)域S在緯度圈上自西向東運(yùn)動，過程中將有兩次機(jī)會與軌道面共面（A點(diǎn)和B點(diǎn)），這兩次共面的機(jī)會將安排月面動力下降（A點(diǎn)）和月面動力上升（B點(diǎn)）。根據(jù)探測器進(jìn)、出軌道面的間隔時(shí)間（2 d）和采樣區(qū)域的緯度，可以迭代計(jì)算出滿足要求的環(huán)月軌道傾角。由于近月捕獲時(shí)軌道月理升交點(diǎn)經(jīng)度基本不變，月面工作時(shí)間一定，對于任意采樣區(qū)域緯度，A點(diǎn)的經(jīng)度是確定的。動力下降等待時(shí)間決定了S點(diǎn)和A點(diǎn)的經(jīng)度差，也就決定了采樣區(qū)域（S點(diǎn)）的經(jīng)度。

圖2 采樣區(qū)與軌道面的運(yùn)動關(guān)系Fig.2 The sampling area and the orbital plane

采樣點(diǎn)緯度與相應(yīng)環(huán)月軌道傾角的幾何關(guān)系如圖3所示。

圖3 采樣區(qū)位置與傾角幾何關(guān)系Fig.3 The sampling area and the orbit inclination

根據(jù)文獻(xiàn)[10]，環(huán)月軌道傾角的計(jì)算步驟為：

2）環(huán)月軌道最高緯度與采樣點(diǎn)的緯度差記為W，有

3）計(jì)算傾角的偏差為

4）若Δi大于預(yù)定的迭代誤差ε（默認(rèn)為1×10?6），則對軌道傾角進(jìn)行更新

若Δi小于ε，則迭代收斂，獲得最終的環(huán)月軌道傾角i。

根據(jù)近月捕獲時(shí)軌道月理升交點(diǎn)經(jīng)度λ0，即可得到動力下降前的等待時(shí)間

其中：ωm為月球自轉(zhuǎn)角速度。

當(dāng)動力下降等待時(shí)間確定后，采樣區(qū)域的位置與探測器的近月點(diǎn)捕獲方式緊密相關(guān)。根據(jù)不同近月捕獲類型（升軌或降軌）和軌道運(yùn)行方向（順行或逆行）進(jìn)行組合，存在順行升軌、順行降軌、逆行升軌和逆行降軌4種近月捕獲方式。

針對上述4種捕獲方式，按照月面停留2 d的要求對月球正面所有點(diǎn)進(jìn)行了動力下降前等待時(shí)間分析，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同捕獲方式對應(yīng)的月面采樣區(qū)域的動力下降等待時(shí)間Fig.4 Loiter duration before descent for different LOI types

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，所有滿足月球正面，且動力下降等待時(shí)間約在3 d的月面采樣區(qū)域在西經(jīng)60°附近。由于逆行捕獲近月點(diǎn)測控不可見，因此對于北緯采樣區(qū)域，可行的捕獲方式為順行降軌捕獲；對于南緯采樣區(qū)域，可行的捕獲方式為順行升軌捕獲。

3 采樣區(qū)的緯度范圍

3.1 最小可達(dá)緯度

采樣區(qū)域的最小可達(dá)緯度是指在近月制動時(shí)采用能量最優(yōu)的共面捕獲方式下，探測器可到達(dá)的月面最低緯度。其與捕獲軌道的最小傾角是一致的，也與捕獲軌道的最小傾角與捕獲時(shí) V∞矢量相對月球赤道面的夾角是一致的。

由于采用月球軌道交會對接方案，為了保證采樣結(jié)束后探測器有上升的機(jī)會與窗口，需要將環(huán)月軌道傾角設(shè)計(jì)為比采樣區(qū)域緯度稍高。因此，轉(zhuǎn)移軌道可以達(dá)到的最小軌道傾角將直接決定采樣區(qū)域的最低緯度。

為節(jié)省推進(jìn)劑消耗，僅考慮近月制動采用共面捕獲方式。與運(yùn)載發(fā)射的軌道傾角不能小于發(fā)射場緯度的原理類似，地月轉(zhuǎn)移和月地轉(zhuǎn)移可以達(dá)到的環(huán)月軌道傾角不能小于轉(zhuǎn)移軌道到達(dá)和出發(fā)時(shí)雙曲線超速V∞相對月球赤道平面的夾角，稱之為V∞的赤緯δ。δ主要受月球赤緯的影響。圖5給出了V∞相對于月球赤道面的赤緯隨月球赤緯的變化關(guān)系。

圖5 月球赤緯和V∞的關(guān)系Fig.5 The lunar declination andV∞

圖6計(jì)算了2017－2020年地月轉(zhuǎn)移軌道V∞的赤緯δ，結(jié)果表明，Δ隨時(shí)間推移逐漸變大。從計(jì)算結(jié)果可以看出，V∞矢量的赤緯δ絕對值的最小值約為13°，為了保證地月轉(zhuǎn)移軌道迭代設(shè)計(jì)的收斂性，保留一定的余量，最小可達(dá)的軌道傾角按15°進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，采用轉(zhuǎn)移時(shí)間為4～5 d、共面捕獲的能量最優(yōu)地月轉(zhuǎn)移軌道方案，可達(dá)的最小緯度為15°。

圖6 月球赤緯隨發(fā)射時(shí)間的變化Fig.6 The Lunar declination and different launch time

3.2 太陽高度角約束

月面緯度越低，當(dāng)?shù)卣绲奶柛叨冉窃酱?，溫度也越高，對溫度控制越不利。為降低探測器熱控分系統(tǒng)的難度，要求月面工作期間太陽高度角不能大于50°。

月面緯度越低，當(dāng)?shù)卣绲奶柛叨冉窃酱螅瑢τ谔岣咛栆淼陌l(fā)電功率越有利。由此可見，熱控分系統(tǒng)與供配電分系統(tǒng)對采樣區(qū)域的緯度的要求是矛盾的。為給供配電提供良好的光照條件，要求月面工作期間太陽高度角不能小于30°。

由于太陽方向與月球赤道的夾角只有約1.5°的變化，忽略1.5°夾角影響，可以近似認(rèn)為采樣點(diǎn)的最大高度角與采樣點(diǎn)緯度互為余角。因此，采樣區(qū)域緯度決定了采樣區(qū)域當(dāng)?shù)氐奶柛叨冉亲兓秶?/p>

探測器系統(tǒng)對月面工作期間太陽高度角的要求為30°～50°，因此采樣點(diǎn)的最高緯度不能超過60°。

3.3 緯度范圍的確定

根據(jù)最小可達(dá)緯度和采樣點(diǎn)高度角約束兩個(gè)方面的分析，采樣點(diǎn)的可行緯度范圍為15°～60°。下面將根據(jù)發(fā)射機(jī)會最多的原則對采樣區(qū)的緯度范圍進(jìn)行優(yōu)選。圖7計(jì)算了緯度15°～60°的采樣區(qū)域太陽高度角的一個(gè)月內(nèi)連續(xù)變化情況（圖7中曲線上方的數(shù)字代表曲線對應(yīng)的采樣區(qū)緯度，橫軸的每一個(gè)單位長度代表1 d，為便于分析只給出了太陽高度角大于0°的情況）。從圖7中可以看出，采樣區(qū)域緯度越高，相同的時(shí)刻對應(yīng)的太陽高度角最大值越小，太陽高度角每天變化也越小。

圖7 不同緯度區(qū)域的太陽高度角變化Fig.7 The solar elevation anglefor different latitude

一個(gè)月內(nèi)滿足不同太陽高度角要求的連續(xù)天數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，采樣區(qū)域緯度低于40°時(shí)，每月滿足太陽高度角30°～50°要求的天數(shù)被分為兩段；采樣區(qū)域緯度為約為40°時(shí)，每月滿足太陽高度角30°～50°要求的連續(xù)天數(shù)最多。滿足太陽高度角要求的連續(xù)天數(shù)越多，對應(yīng)的發(fā)射窗口越多。

圖8 一個(gè)月滿足太陽高度角要求的天數(shù)Fig.8 Numbers of days satisfing of solar elevation constraints within one month

實(shí)際任務(wù)設(shè)計(jì)中，發(fā)射窗口需要滿足更多的約束條件。按“嫦娥五號”任務(wù)的軌道方案，計(jì)算2017－2020年每1 d的全飛行過程的軌道參數(shù)，并對以下約束條件進(jìn)行篩選：①月面工作期間的太陽高度角在30°～50°之間；②返回軌道的航程范圍在5 600～7 100 km之間；③在可發(fā)射月份，具有連續(xù)3天的可發(fā)射機(jī)會。篩選后可以得到2017－2020年滿足任務(wù)約束的所有備選發(fā)射機(jī)會。

針對從35°～50°不同的采樣點(diǎn)緯度，重復(fù)開展上述發(fā)射窗口的搜索過程，并統(tǒng)計(jì)滿足連續(xù)3 d可發(fā)射機(jī)會，結(jié)果如圖9所示。由圖9計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)要求太陽高度角滿足30°～50°時(shí)，采樣區(qū)域緯度41°～48°對應(yīng)的連續(xù)3 d及以上的發(fā)射機(jī)會均為11次。因此滿足約束的采樣區(qū)域可行緯度范圍為41°～48°。

圖9 不同緯度區(qū)域的發(fā)射機(jī)會Fig.9 Launch opportunities for different latitudes

3.4 采樣區(qū)域緯度誤差范圍

采樣區(qū)域緯度的誤差主要由地月轉(zhuǎn)移最后一次中途修正和兩次近月制動造成的環(huán)月軌道傾角誤差以及動力下降航程誤差決定。

根據(jù)測定軌誤差和控制誤差精度指標(biāo)，地月轉(zhuǎn)移最后一次中途修正殘差造成的軌道傾角誤差約為0.23°；根據(jù)控制系統(tǒng)打靶仿真分析結(jié)果，按照控制精度指標(biāo)的最大包絡(luò)，且第二次近月制動控制不修正第一次的傾角誤差（保守分析），兩次近月制動的傾角誤差約為0.77°。因此，軌道傾角總誤差為±1°，對應(yīng)的緯度變化范圍為±1°；根據(jù)球面三角關(guān)系，考慮動力下降航程有±50 km的誤差（包括動力下降初始點(diǎn)誤差和動力下降航程誤差），對應(yīng)的緯度方向誤差約為±0.3°；考慮動力下降存在±5 km的橫向誤差，對應(yīng)的緯度誤差約為±0.2°。綜合以上因素，采樣區(qū)域緯度總誤差為±1.5°，考慮探測器系統(tǒng)在故障條件下的適應(yīng)能力，采樣區(qū)域緯度誤差范圍確定為±2°。

3.5 小結(jié)

滿足約束的采樣區(qū)域可行緯度范圍為41°～48°，緯度誤差范圍為±2°，考慮到采樣區(qū)域緯度越低對探測器的能源供應(yīng)越有利，采樣點(diǎn)緯度范圍確定為43°±2°。

4 采樣區(qū)域經(jīng)度范圍

4.1 最大可達(dá)經(jīng)度

軟著陸時(shí)月面存在一定的坡度，對地測控通訊天線要求地球仰角大于特定的角度，因此地球高度角對采樣區(qū)域的選擇形成一定的約束。

不同的采樣位置對應(yīng)的地球高度角不同，圖10給出了2017年12月月球處于最北緯后第3 d的月球正面地球高度角等高線圖，其它月份數(shù)據(jù)稍有變化，但不影響結(jié)果的確定。由圖10中可以看出，采樣區(qū)域緯度越高，經(jīng)度越靠西，地球高度角越小。為了保證月面工作期間的最小地球高度角不小于10°的要求，采樣點(diǎn)的經(jīng)度不能大于70°。

圖10 地球高度角等高線圖Fig.10 Earth elevation angle of lunar nearside

4.2 采樣區(qū)域經(jīng)度標(biāo)稱范圍

采樣區(qū)域的經(jīng)度標(biāo)稱范圍是指在不考慮誤差因素的影響下，不同的發(fā)射機(jī)會對應(yīng)的采樣點(diǎn)經(jīng)度范圍。由于不同的發(fā)射日期近月制動時(shí)的升交點(diǎn)經(jīng)度不同，動力下降時(shí)的升交點(diǎn)經(jīng)度也不同，因此采樣區(qū)域的經(jīng)度也不相同。

按照采樣區(qū)域目標(biāo)緯度43°，航程范圍5 600～7 100 km，動力下降等待時(shí)間3 d，月面工作期間太陽高度角30°～50°的條件對2017—2020年的發(fā)射機(jī)會進(jìn)行搜索，計(jì)算對應(yīng)的采樣區(qū)域經(jīng)度分布如圖11所示。

圖11 不同發(fā)射日期的采樣區(qū)經(jīng)度分布Fig.11 Longitude distribution for different launch windows

從計(jì)算結(jié)果可知，動力下降等待時(shí)間為3 d時(shí)采樣區(qū)域經(jīng)度范圍為?51.2°～?65°。根據(jù)動力下降時(shí)的時(shí)序安排及測控需求，動力下降安排連續(xù)3圈的下降機(jī)會（每延后1圈下降采樣區(qū)域經(jīng)度西移約1°），因此采樣區(qū)域經(jīng)度標(biāo)稱范圍為所有下降機(jī)會的并集，如圖12所示。根據(jù)上述分析結(jié)果，采樣區(qū)域的標(biāo)稱經(jīng)度范圍為–51.2°～–67°。

圖12 標(biāo)稱采樣區(qū)域經(jīng)度標(biāo)稱范圍Fig.12 Nominal longitude range

4.3 采樣區(qū)域經(jīng)度誤差范圍

采樣區(qū)域的經(jīng)度誤差范圍主要由動力下降的航向誤差決定。圖13給出了動力下降航向誤差與落點(diǎn)經(jīng)度誤差之間的幾何關(guān)系。

圖13 動力下降航向誤差對應(yīng)的經(jīng)度誤差Fig.13 Longitudinal dispersion caused by descent error for lunar landing

考慮動力下降航程±50 km的誤差，根據(jù)簡單的球面三角公式進(jìn)行計(jì)算，采樣區(qū)域經(jīng)度對應(yīng)的誤差范圍為±2.2°。

4.4 小 結(jié)

采樣區(qū)域的標(biāo)稱經(jīng)度范圍為?51.2°～?67°，誤差范圍為±2.2°，采樣區(qū)域的經(jīng)度范圍取值如圖14所示，因此采樣區(qū)域的經(jīng)度范圍取整為59°±10°W。

圖14 采樣區(qū)域經(jīng)度范圍Fig.14 Longitude range of sampling area

5 采樣區(qū)地形地貌和科學(xué)價(jià)值

根據(jù)工程約束條件，可行的采樣區(qū)域的緯度范圍為43°±2°（N或S），經(jīng)度范圍為59°±10°W。下面進(jìn)一步針對南北兩個(gè)備選采樣區(qū)開展地形地貌和科學(xué)價(jià)值的分析，從而在工程可實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，優(yōu)選出最終的采樣區(qū)范圍。根據(jù)前言的敘述，這兩部分內(nèi)容已經(jīng)超出了本文的討論范疇，這里為了結(jié)論的完整性，僅對相關(guān)結(jié)果進(jìn)行簡要的敘述。

采樣區(qū)域表面越平整越有利于著陸任務(wù)的完成，需要針對南北半球兩塊采樣區(qū)域的地形地貌進(jìn)行分析。圖15和圖16分別給出了北半球和南半球備選采樣區(qū)域的地形圖。采用“嫦娥二號”（Chang’E-2，CE-2）和月球勘測軌道飛行器（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO）獲得的全月高程數(shù)據(jù)，通過復(fù)雜的分析計(jì)算可以對采樣區(qū)的地形狀態(tài)進(jìn)行定量化的統(tǒng)計(jì)研究，這里只給出簡單的分析結(jié)果。

圖15 北半球備選采樣區(qū)分布圖Fig.15 Candidate sampling area in lunar north hemisphere

圖16 南半球備選采樣區(qū)分布圖Fig.16 Candidate sampling area in lunar south hemisphere

1）南緯43°±2°S、59°±10°W附近區(qū)域?yàn)榈湫偷脑玛憛^(qū)域，地形變化復(fù)雜，其周邊區(qū)域的地形起伏較大，非常不利于著陸的安全性。

2）北緯43°±2°N、59°±10°W附近區(qū)域?yàn)轱L(fēng)暴洋北部區(qū)域，其周邊區(qū)域的地形起伏相對較小，應(yīng)該可以找到較安全的著陸區(qū)域。

因此從地形條件看，北緯附近采樣區(qū)域較好。

科學(xué)價(jià)值也是采樣區(qū)選擇的一個(gè)非常重要的因素。北半球備選區(qū)域位于風(fēng)暴洋北部大面積月海，遠(yuǎn)離阿波羅和Luna的各次采樣點(diǎn)，區(qū)域內(nèi)出露年齡較輕的愛拉托遜紀(jì)玄武巖，年紀(jì)輕于現(xiàn)有的月球樣品，具有重要的采樣意義。區(qū)域南部的Rumker火山為典型的月海低鈦玄武巖火山穹窿，取得該地區(qū)的樣品將對認(rèn)識月海火山穹窿的成分、噴發(fā)方式、噴發(fā)歷史、流體力學(xué)性質(zhì)等極有意義。南半球備選區(qū)域包含兩類地質(zhì)類型：高原和撞擊坑，地質(zhì)年齡主要為雨海紀(jì)，采樣價(jià)值不突出。

綜上所述，綜合考慮采樣區(qū)的工程可實(shí)現(xiàn)性、地形地貌特征和科學(xué)價(jià)值等多方面的因素，最終確定的“嫦娥五號”任務(wù)采樣區(qū)范圍為經(jīng)度59°±10°W、緯度43°±2°N區(qū)域。

對于2017—2020年內(nèi)給定的發(fā)射機(jī)會，需要在已確定的采樣區(qū)范圍內(nèi)，根據(jù)標(biāo)稱軌道設(shè)計(jì)結(jié)果，以及地形地貌、著陸安全性等因素進(jìn)一步確定該窗口對應(yīng)的標(biāo)稱采樣瞄準(zhǔn)點(diǎn)及其分布范圍。這部分工作的具體內(nèi)容也超出了本文的討論范疇，這里只給出2020年11月24日首發(fā)窗口對應(yīng)的采樣區(qū)范圍確定結(jié)果，具體如表1和圖17所示。

表1 2020年首發(fā)窗口采樣區(qū)域位置Table 1 Sampling area of the first launch opportunity in 2020

圖17 2020年首發(fā)窗口標(biāo)稱采樣區(qū)Fig.17 Nominal sampling area of the first launch opportunity in 2020

6 結(jié) 論

“嫦娥五號”任務(wù)飛行過程復(fù)雜、約束條件多且耦合性強(qiáng)，采樣區(qū)域的選擇與軌道設(shè)計(jì)密不可分。在保證滿足任務(wù)要求的基礎(chǔ)上，能夠盡量節(jié)省推進(jìn)劑、覆蓋更多發(fā)射窗口，“嫦娥五號”任務(wù)采用了軌道任務(wù)幾何的方法進(jìn)行采樣區(qū)選擇，這在我國探月任務(wù)中尚屬首次。該方法有效降低了工程任務(wù)的設(shè)計(jì)難度，大幅降低了設(shè)計(jì)過程中的迭代次數(shù)，為探測器系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)造良好的條件，對保障任務(wù)成功具有重要意義。

根據(jù)工程各類的約束條件，“嫦娥五號”任務(wù)的可行的采樣區(qū)域的緯度范圍為43°±2°N，經(jīng)度范圍為59°±10°W。該結(jié)果綜合考慮了不同的發(fā)射窗口、測定軌及控制誤差等因素帶來的位置變化，基本可適用于2017—2020年的所有可行發(fā)射窗口，能夠有效應(yīng)對各類未知風(fēng)險(xiǎn)帶來的發(fā)射推遲問題。