探月零距离

紫　晓

我国月球探测二期工程已全面启动。二期工程是一期工程的深化和突破，它的实施将实现我国月球探测工程的跨越式发展和月球科学研究的重大突破。与“嫦娥一号”绕月探测的一期工程不同，二期工程最关键的是“落”，要把探测器直接送到月球上，对月球进行直接的，零距离的探测。

科学与应用愿景

我国月球探测工程首席科学家欧阳自远在阐述月球探测二期工程科学目标的时候指出：我国月球探测二期工程将是期工程的跨越式发展，探测对象由“面”变为区域性的“点、面、内部”一体化的综合性探测，探测方式是月球软着陆探测和月面巡视勘察。

我国科学家认为，月球探测二期工程将通过对着陆区和巡视区的区域性精细探测，实现对月球的地形地貌，地质构造，矿产与能源等资源，以及日－地－月空间环境与月基天文观测等综合科学探测任务。我国科学家在广泛论证调研的基础上，初步提出了二期实施“月球软着陆探测和月球车巡视勘察”的四项总体科学目标：

1月球形貌与地质构造调查

探测内容主要包括探测区的月表形貌探测与地质构造分析，探测区撞击坑的调查与研究，探测区的月壤特性，厚度与月壳浅层结构探测等三个方面。

2月表物质成分和可利用资源调查

月球物质成分是了解月球演化历史的关键。月球科学最为基础的工作是获取月球的化学成分，岩石类型及其分布规律。月球蕴藏着丰富的矿产和能源资源，开发和利用月球资源是人力进行月球探测的源动力之一。探测内容主要包括探测区矿物组成与化学成分的就位分析和探测区矿产和能源资源调查等。

3月球内部的结构研究

月球内部结构是研究月球形成和演化历史的基础。探测月震和小天体引起的月震波可以反演月球的内部结构。探测内容主要包括月震与小天体撞击的记录与研究、月球轨道参数的精确测量与月球动力学研究等。

4日－地－月空间环境探测与月基天文观测。

日－地－月空间环境是影响人类生存与发展的重要因素。探测内容主要包括地球等离子层的极紫外探测与研究，太阳系外行星系统，星震和活动星系核的光学观测与研究，月表空间环境探测与研究等内容。

欧阳自远院士认为，我国科学家提出的“月球软着陆与月球车巡视勘察”的科学目标具有如下的特点：(1)选择与以往不同区域着陆；(2)月面软着陆就位探测与月球车巡视勘察二者同时进行并有机结合，将获得比以前更有意义的探测成果，(3)国际上首次利用测月雷达实测月壤厚度(1～30米)和月壳岩石结构(1～3千米)；(4)国际上首次在软着陆器上利用数据转发器精确测定地月间距离，进行月球动力学研究；(5)首次在月球上采用极紫外相机观测太阳活动和地磁扰动对地球空间等离子层极紫外辐射的影响，研究该等离子层在空间天气过程中的作用；(6)国际上首次进行月基光学天文观测，研究太阳系外行星系统、星震等。

我国月球探测二期工程的应用目标包括构建月球探测航天工程体系。月球探测是深空探测的起点，在现有人造地球卫星航天工程系统的基础上构建的月球探测航天工程体系，将来可以应用于火星探测和其他深空探测任务。其次是工程将产生大量科学数据，除了完成工程规定的科学目标研究外，还可以进一步开发和挖掘，产生更多的应用成果。月球探测产生的数据和科学成果，可以应用于月表系统图件的绘制和月球科学研究，并带动相关学科的发展。

月球探测二期工程根据完成上述月球探测的科学目标，将携带大约20种有效载荷，初步确定携带的有效载荷主要有软着陆平台配置的有效载荷，包括全色摄像／照相机、激光反射器、粒子激发x射线谱仪，红外光谱仪、光学天文望远镜，极紫外相机、月震仪、空间环境探测器、降落相机等。而月球车配置的有效载荷有立体成像系统，测月雷达、粒子激发x射线谱仪，红外光谱仪、质谱仪等。

我国月球探测二期工程计划2013年左右实现探测器首次月面软着陆，采用“长征三号”B火箭在西昌卫星发射中心发射，直接送入地球至月球转移轨道，经过中途修正和近月制动后，进入200千米高度的极月圆轨道；选择适当的时机在预定着陆区域实施首次月面软着陆，在月面展开就位探测，同时释放月球车开展月面巡视勘察。着陆探测器和月球车在月面工作时间为3个月。整个任务期间将新建深空探测网，地面应用系统负责接收和解译科学探测数据。

细说关键点

面对我国月球探测二期工程这一新的领域，新的任务，需要突破的关键技术和环节很多，核心是能力建设。因此，需要在许多关键点上取得突破。

☆探测器系统总体方案设计

与“嫦娥一号”相比，设计思路也将有很大的不同，核心任务是实现探测设备登上月球，并进行科学探测。主要工程技术目标是突破月球软着陆、月球车及其它相关技术，研制和发射月球软着陆探测器和月球车，建立月球探测航天工程基本系统。

☆月球车的研制

月球车是一种能够在月球表面移动，完成探测、采样，运载等任务的月球探测器。利用月球车对月面进行就位探测，是二期工程的重头戏。月球车虽小，却五脏俱全，技术含量非常高，需要突破月球车总体方案设计与优化、月球车移动技术、定位、路径规划与控制等大量的新技术。

☆运载火箭发射

月球软着陆探测任务具有发射要求速度增量大、入轨精度要求高、发射窗口较小、发射轨道需随发射时间而改变等特点，因此，运载火箭面临着提高运载能力、入轨精度和提高发射适应性等关键问题。

☆测控通信

深空测控通信系统是人类与深空探测器联系的通道和纽带，在深空探测任务中起着关键的作用。由于深空任务周期长、通信时延大、链路带宽有限、信号微弱、数据更加关键等一系列原因，使得深空测控通信实现起来更为困难，对星上和地面设备带来新的挑战。

☆月球软着陆自主导航与控制

月球软着陆的工程不同于地球轨道航天器的气动返回。由于月面环境的不确定性和着陆轨迹的复杂性，需依靠探测器的制导与控制系统实现基于敏感器的自主导航。对月测速、测高及地形识别的敏感器是以往航天器上没有使用过的，同时，对控制系统执行机构的发动机需研究延长寿命、提高比冲、多发动机组合等问题。

☆着陆器结构与缓冲机构

由于着陆器携带大量燃料、服务设备及科学仪器，考虑到架式结构更适应需求。大型承力式架结构是我国以往航天器上没有采用过的。着陆缓冲机构是着陆安全的重要保证。需要可靠吸收着陆冲击能量，并在一定的地形条件下，保证着陆器不反弹、不翻倒。

☆月面生存的热控

月夜的恶劣温度环境和没有太阳可利

用给热控带来了极大的挑战。同位素技术是解决探测器渡过漫长月夜的必须手段，在我国航天器上是首次使用。

☆月面工作机构研制

探测器上的工作机构需在月面1／6重力条件下工作，这是以往航天器所没有设计过的。为满足月夜月昼交替的需求，需实现机构的重复展开与复位。为支持科学仪器的工作，需研究相应的机械臂，并控制其完成预定的任务。

☆仿真与地面试验验证

软看陆与巡视探测任务与典型的地球轨道航天器任务相比，具有较强的特殊性，所经历的环境条件更加复杂多变。在设计过程中，必须进行仿真与地面试验验证工作，达到与总体方案比较、关键技术问题分析，技术途径验证等目的。

怎样选择软着陆区

为了完成月球软着陆探测任务，这就涉及到着陆区的选择问题。软着陆区域的选择应该既能满足科学探测的需要，又具有实现可行性。那么，选择探测器软着陆区应该遵循哪些原则呢?

有利于实现科学探测目标。

为了实现科学探测目标，着陆区无疑应该选择在地质现象丰富的地区，如月海和高地的接触带，大型山脉、典型撞击坑构造区域等，以满足月球地质研究的需要；着陆区应该选择在成熟月壤区和矿产资源丰富的地区，以满足月球资源利用和研究的需要；着陆区的地质现象和地理位置是国外所没有探测过的，这样既可以体现我国月球科学探测的独特性，又可以与国外已经开展的月球区域探测实现互补。

有利于工程的实施。

为了保证着陆器在月面着陆后不翻跟头，月面软着陆场必须选择在相对平坦的地区。为了保证着陆器获得持续的电源和有效的探测，着陆区的选择要考虑到光照条件。尽管目前设计的看陆探测器的太阳电池可实现对日定向，但是，如果考虑到一定的地形遮挡等因素，要求太阳入射角只有在大于10度的情况下，才能满足太阳电池的工作需求。

有利于与地球的通信联系。为保证探测器在月面着陆后可以连续与地面通信，着陆区应该选择在月球正面。我们知道，月球只有一面始终对准地球，而另一面则总是背向我们，这种情况使得月球正面与地球通信的可见区域分为永远可见，有时可见和永远不可见三种情况。经过分析，月球正面可以连续保持与地面通信的区域为东西经70度范围内，纬度在南北纬80度之问，因此，着陆点应该选择在这一区域内。而在月球表面着陆后的探测器，与地面的可通信条件与环月飞行的探测器不同。为传输探测数据，需要使用高增益的定向天线。月面上一个固定点相对地面某个测控站的方位角与高度角在一年时间内呈现周期性变化，这样的角度变化对定向天线的波束宽度和转动自由度设计有很大影响。因此，为满足测控数传的要求，要求定向天线具有两轴转动的能力。

卫星轨道的可达性。

为了确保探测器能够在预定的着陆点着陆，专家认为有三种环月轨道可以选择：月球零倾角赤道轨道、月球倾斜轨道和月球极轨道。如果着陆区选择在月球赤道，则选择零倾角的环月轨道，可以保证每个轨道周期内均有着陆机会，且测控条件较好。如果选择极区，那么，只能选择极轨道，才可保证每个轨道周期内有着陆机会。但是对于位于赤道与极区间的着陆地区，可选择轨道倾角大干着陆区纬度的轨道。轨道在个月球日内对指定着陆区的着陆机会均只有一次。如果希望增加连续的着陆机会，则要做适当的轨道倾角机动。由于月球自转速度很慢，每大自西向东约转动13.2度，平均每小时轱0.55度。对于一个轨道周期约!小叫的环月轨道来说，如果错过了一次看陆机会后，可对卫星进行一次小角度轨道倾角机五动，这样就可以满足下一个着陆机会的离求。理论上讲，在地球上的给定发射场，对应小同的环月轨道要求，总可以找到对应的地球至月球转移轨道。同时，计算表明，小同倾角的环月轨道，对地月转移及近月制动所需要消耗的能量差别很小。因此，任何的着陆区在轨道设计上都是可实现的。

充分考虑着陆场的热环境。

有关资料表明，对应不同纬度，随着太阳入射角(太阳光线与月面法向的夹角)从零度逐渐变大，月面温度上升很快。而在太阳下山的过程中，太阳降温过程也很快。在低于20摄氏度的低纬度地区，当太阳入射角10度以上时，月面的环境温度已升至零摄氏度以上，可以满足探测器的工作温度条件要求。而对于高纬度地区，太阳入射角要超过20度后，月面温度才可能达到零摄氏度以上。因此，从热环境的角度考虑，对于20度以下的低纬度地区，着陆区在着陆时刻的太阳入射角入于10度；随着着陆区纬度的升高，要求着陆时刻的太阳入射角也增大。而任月夜期间，不同纬度地区的最低温度基本相同，达到零下180摄氏度左右。对于20度以下的低纬度着陆区，考虑太阳入射角的影响，探测器在月球可以工作的时间大约为连续12个地球日。

随着月球探测一期工程告捷，二期工程正以稳健的步伐向前推进。我们期待着我国月球探测工程的连台好戏。

责任编辑兆然