月球探测最新进展

曾 坤,李建成

(武汉大学 测绘学院,湖北武汉 430079)

月球探测最新进展

曾 坤,李建成

(武汉大学 测绘学院,湖北武汉 430079)

介绍当今各国探月的最新进展,研究中国的“嫦娥”计划和日本的“月球女神”计划的科研目标和科学荷载,分析其各自的优势以及创新之处,并展望月球科学的发展方向。

月球探测;最新进展;嫦娥计划;月球女神

一、引 言

月球上储备着极其丰富的资源,已知有 100多种矿物,其中有 5种是地球上没有的,在月球表面厚厚的尘土里蕴藏着一种非常重要的能源——氦 3,它在地球上十分罕见,是可供核聚变的主要原料之一。据估计,月球上有 300到 500万吨的氦 3储量,能够支持地球 7 000年的电量。此外,由于月球特殊的地理结构和独特的自然环境,使许多在地球上无法进行的研究与实验可以在月球上顺利完成,这对医学研究和植物栽培将起到意想不到的促进作用。人类未来通过在月球上建立科研基地进行天文学、空间科学、地球科学、生命科学以及材料学等的研究,有助于人类更好地了解月球、地球和太阳系起源和演化等问题。

二、美俄最新探月计划

1976—1986年的 10多年间,月球探测处于低潮期。这期间世界各国均未发射月球探测器,只有美国一直没有停止过建立月球基地的准备工作,先后进行过两次“生物圈”密闭生产系统试验计划。并计划从 2008年起,将向月球表面发射一系列的机器人探测器,以便为未来的载人探测与研究做好准备;2015年用代替航天飞机的“乘员探索飞行器”进行更广泛的载人月球探测。这一阶段的主要目标是获取如下科研参数:月球轨道深层空间辐射环境特征、月球全球地形、高空间分辨率氢分布图、极地阴影区域温度测量、永久阴影区表面成像、鉴定极地寒冷洼地区近地表水冰存在、评估着陆点的米级或更小规模的特征、描述极区照明环境等。

俄罗斯随着经济的复苏,在探月方面也有东山再起之势。2007年 1月 12日,俄罗斯能源航天与火箭公司宣布了登月三步走:2010—2015年研制出新型的“联盟”系列飞船,实现多次登月飞行;2015—2020年利用飞船建立起地球与月球之间的运输通道;2020—2025年在月球上建立永久基地,并开始开发月球上的资源。俄罗斯拉沃奇金科学生产联合公司也表示将在 2009—2010年开始实施自己的探月计划:第一阶段是实施“月球—全球”探测计划,发射探月卫星,为未来的月球车登陆月面选择地理位置;第二阶段于 2012年向月球发射科学实验室,进行多光谱探测;第三阶段将月球土壤样品带回地球;第四阶段在月球表面选择建立自动探测基地的最佳区域,为未来的载人登月计划做准备。

三、中国“嫦娥”计划及其科研目标

我国的探月工程虽然起步较晚,但起点较高,总体上可以分为“环、落、回”三个阶段实施。第一阶段 (2007年)发射“嫦娥一号”环月卫星,在离月球表面 200 km高度的月球极地轨道飞行,开展拍摄三维图像等工作;第二阶段 (计划 2010年)探测器将选择合适的地点进行软着陆,利用月球机器人进行进一步的探测与研究;第三阶段 (计划 2020年)探测器将采集月球样品,并将样品送回地球进行分析与研究。“嫦娥一号”卫星有效载荷系统有 8种探测仪器,共 24件硬件设备,总质量小于 170 kg。

1.立体相机和激光高度计

利用立体相机和激光高度计来获取月球表面三维立体影像,相机的分辨率为 120m,月表成像宽度为60 km,激光高度计的分辨率为 1 m,最大误差为 5m。“嫦娥一号”卫星的相机设计很巧妙,只用了一台相机,它利用一片面阵 CCD组成了相机的电子“底片”,在卫星飞行过程中每次只取 CCD面阵中的前、中、后三行像素的信号,相机在随卫星飞行的过程中,对月球表面进行“逐行扫描”,就会获得星下点、前视 17°、后视 17°三个视角形成的三幅二维原始图像数据,经过三维重构后就能重现月球表面三维立体影像。

2.X射线谱仪、γ射线谱仪以及干涉成像光谱仪

X射线谱仪、γ射线谱仪以及干涉成像光谱仪用来分析月球表面元素及矿物的含量和分布。X射线谱仪和γ射线谱仪只能探测月球表面含有的元素,并不知道这些元素形成了哪些矿物质,但是由于不同的矿物质能吸收不同的光波,利用干涉成像光谱仪就能判断岩石的种类。为了避免宇宙射线打到卫星上产生γ射线干扰观测,“嫦娥一号”卫星携带的γ射线谱仪中主探测器晶体的一个面朝向月球,其他面都用同一种反符合晶体包裹起来,这样直接进入γ射线谱仪主晶体的射线来自月球,而先穿过反符合晶体,再进入γ射线谱仪主晶体的射线则是来自卫星本身,这样就能很容易地区分出来自月球的γ射线了。

3.微波探测仪

“嫦娥一号”卫星首次利用微波辐射手段来探测月壤的厚度,虽然这种手段探测月壤还备受争议,其数据处理的方法还需要在实践中加以检验和改进,但其可行性已被越来越多的科学家认同。利用不同频率的微波信号穿透月球表面物质的能力区别,便可获取月壤的厚度信息,“嫦娥一号”卫星上的微波探测仪被设计成多频微波辐射计,利用测得的月表不同波段的微波辐射能量信息,就能分析出月壤的厚度。

4.高能粒子探测器和太阳风离子探测器

高能粒子探测器和太阳风离子探测器能探测太阳高能带电粒子多种成分和太阳风离子详细能谱、方向和体速度等。科学家在地球上测到的太阳风在地球磁场的作用下完全变形,月球虽然绕地球运转,但受地球磁场的影响极弱,那里能探测到原始的太阳风,对月球的空间辐射环境进行探测,可为人类登陆月球提供科学依据。

四、日本“月球女神”(SELENE)计划及其科学荷载

日本由于自身自然资源十分匮乏,对探月一直非常感兴趣,欲在月球开发方面占有一席之地,以期挖掘月球丰富的资源,因此投入了相当大的财力物力,启动了继美国“阿波罗”计划之后最大的月球探测项目——“月球女神”(SELENE)计划。“月球女神”探测器共携带 16台科学探测仪器,将以前所未有的精度对月球表面的地形进行全面观测,获取的数据可以研究包括月球化学成分构成、地形结构、地表特征、重力场和粒子环境等,还能绘制月球的矿藏分布图,并对月壤中的放射性元素进行分析,了解月球起源和演化过程。其主要科学荷载如下。

1.X射线光谱仪(XRS)

它能确定每种月球地貌的岩石类型,并勘测其区域变化模式,以 20 m的分辨率测量整个月壳的镁、铝、硅、钙、铁等主要元素成分,从而研究月球的起源和演变。该仪器将覆盖除极区外约百分之九十的月面,具有能量分辨率高、探测面积大的特点,其中太阳X射线监视器、X射线荧光校准器将利用标准样品和同时进行的太阳 X射线监视进行元素定量分析。

2.γ射线光谱仪(GRS)

它与 X射线光谱仪的用途一样,用于研究月球组成元素分布,该仪器可确定氢发射的γ射线,并能对氢进行测绘,其观测结果准确度高,可提供有关月球起源和演变的线索,为月球探测,特别是对判断水的存在作出贡献。

3.光谱轮廓仪

“月球女神”探测器上装有光谱轮廓仪、多频段成像器和地形照相机三种高性能光学仪器,其中光谱轮廓仪的空间分辨率为 500 m,视场为 0.23°,采用衍射光栅,波段数量为 296个,带宽为 6～8 nm。该仪器将观测星下月面,并用两个光栅以 296种波长对表面反射光进行分光。

4.多谱段成像器(MI)

它是推扫型成像器,有两台天底视望远镜,带有二维探测器和带通滤波器,能以 9种不同的波长对月面进行连续观测,该仪器可在紫外—可见光—红外频段成像,采用带通滤波器,带宽 10～50 nm,用于研究月球的矿物分布。

5.月球雷达探测仪(LRS)

它是利用高频雷达偶极天线 (全翼展尺寸30m)发射频率为 5MHz的大幅射频脉冲来穿入月球的亚表面区,当电波遇到月球亚表面时会产生回波脉冲信号,从而得到月球的亚表面结构信息。采用这种低频雷达技术能对水平尺度几十千米的地区进行几千米深的亚表面结构的测绘,所以可研究月球表面几千万年的热辐射。其表观深度为 5 km,距离分辨率优于 100 m。它对月球周围的行星电波和等离子体波进行观测时,不受来自地球的人造噪声和太阳辐射的干扰。

6.激光测高计(LALT)

激光测高计是从主卫星向月球发射激光脉冲,精确测量从月球返回信号的双程时间。它能够在月球极轨道上获得沿主卫星轨迹的全球距离数据,用于对主卫星到天底方向的月面进行激光测距。其空间分辨率为 80m,测距精度为 5 m,可首次建立一个精准的月球全球地形图。该测高计比美国的“克莱门汀”(Clementine)空间探测器精度高许多,能绘制包括两极地区在内的精确月球全球地形图,所获得的数据用于研究月球内部结构。

7.月球磁强计(LMAG)

月球磁强计用于测量只有地磁场 1/100 000的弱月球磁场,分辨率为 16 bit,精度为 0.5 nT,采样间隔为 1/32 s。它的传感器装在航天器伸出的超轻型桅杆头上 12m处,以避免磁干扰。利用月球磁强计可以对目前和远古时期 (30亿～40亿年前)月球周围的磁场及其演变进行研究。

8.等离子体成像器(UPI)

它从月球轨道观测地球上大气层等离子体层,观测范围从 X射线和紫外线到可见光。该仪器利用一台极紫外望远镜 (TEX)观测等离子体层,用一台可见光望远镜(TV IS)观测极光和辉光的全球分布。

9.等离子体分析仪(PACE)

它由电子光谱分析仪 S1和 S2(ESA-S1,ESAS2)、离子质量分析仪 ( IMA)和离子能量分析仪(IEA)四种传感器组成,用于测量带电粒子的能量和组成,对目前和远古时期月球周围的等离子体环境及其演变进行研究。

10.带电粒子光谱仪(CPS)

它由α射线探测器 (ARD)和 PS仪器组成,用于测量高能粒子。其中α射线探测器探测月面上Rn和 Po发射的α射线,获取过去 50年壳体运动的信息;PS观测月球周围的太阳和银河宇宙射线,获得月球周围的基本宇宙射线数据。

11.干涉测量子卫星上的 VLBI

干涉测量子卫星上的甚长基线干涉测量仪用于测量离月面较近处的重力场,研究月球重力场分布,这在世界上还尚属首次。两颗子卫星发出的射电波被日本国家天文台的“维拉”(VERA)射电望远镜和其他射电望远镜接收。

12.射电科学装置(RS)

由于缺乏数据,目前对于月球上是否存在电离层仍有争议,干涉测量子卫星上的射电科学装置将通过测量射电波通过电离层时频率的变化对月球电离层进行探测。前苏联的月球 19号和 22号任务曾获得了电子密度分布型,而日本的射电科学装置将揭示这一电子层是如何形成的。

13.中继子卫星上的 VLBI

中继子卫星甚长基线干涉测量仪用于测量月面较远处的重力场。臼田发出的上行射电波通过中继子卫星中继到主卫星,再通过中继子卫星返回臼田,最终在臼田测量出多普勒频率,利用中继子卫星 4程观测可以改善月面高度误差。

此外,还装载了用于研究月球表面结构的地形照相机、用于拍摄月球表面和地球从月球表面升起的景象的高清电视摄像机、用于转发地面站和主卫星以及干涉测量子卫星之间的通信信号的通信转发器。在观测月球表面这个任务上,“月球女神”探测器比“嫦娥一号”卫星多一台设备——测地雷达,它能“看”到月球表面以下几千米。此外,“月球女神”探测器在探测月球环境方面的任务也比“嫦娥一号”卫星多一些,它还要探测月球磁场、从月球表面溢出的氡等放射性元素发出的α粒子,以及备受科学家争议的月球电离层等,但“嫦娥一号”卫星携带多台自主研究科学仪器,采用最新的技术探测月球相关参数是“月球女神”探测器所不具备的。

五、其他各国探月计划

实力雄厚的欧空局 (ESA)于 2003年 9月 27日成功发射了 S MART-1探测器,它是 21世纪人类发射的第一颗月球探测器,携带了实验性的深空通信系统及仪器荷载。它的主要科学目标是得到月球地质学、形态学、地形学、矿物学、地球化学以及外大气环境数据,解答有关行星形成过程、地-月系统起源、月球近/远面的二分性、长期火山与构造活动、月球演化所涉及的热和动力过程以及水冰和表面外部作用等问题。

在此探月浪潮中印度也不甘示弱,于 2008年发射了他们的首个月球探测器——月球初航 1号,并携带一个重 30 kg的撞击器一起升空,然后撞击月球,激起月壤,以获取矿物质和水的科学数据,并计划于 2020年实现载人登月。

六、结束语

探月工程是我国深空探测的起步,我们应该优先采用成熟技术,并在加强国际合作的同时,逐步拓宽自主开发的能力。此外,月球科学研究和月球相关工程的顺利实施需要建立月球空间信息共享平台,借此整合我国科学资源,进而推动我国探月工程进展和月球科学的研究与发展。对测绘工作者来说,这将充满了机遇与挑战,不能再用孤立的眼光来研究月球测绘技术,必须将航天、大地测量、天体物理和地质学等学科融合起来,将其当成系统科学来研究,力争为推动我国月球和深空探测技术作出自己的贡献。

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The LatestDevelopments of Lunar Detection

ZENG Kun,L IJiancheng

0494-0911(2011)02-0001-03

P228.5

B

2010-03-10

曾 坤 (1980—),男,湖北荆州人,博士生,主要从事对月球重力场的研究。