月球南极着陆区关键特性分析

李飞 张熇 吴学英 董捷

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

1 引言

月球着陆探测从20世纪50年代开始至今，所有着陆区都集中在月球正面的中低纬度地区，包括美国的“勘测者”（Surveyor）、“阿波罗”（Apollo），苏联的“月球”（Luna）［1］，以及我国首次成功在月球着陆（19．51°W，44．12°N）的嫦娥三号探测器。与已完成着陆探测任务的月球中低纬度地区不同，月球南极地区大型撞击坑较多且分布密集，地形地貌条件较为恶劣；月球赤道面与黄道面的夹角较小，使南极地区太阳高度角低，且存在连续长时间光照或连续长时间阴影；地球同月球高纬度位置关系造成南极地区对地可见具有长周期的特性；此外，地形对光照和对地可见的影响较大。南极地区的上述关键特性，使着陆探测任务存在较大风险，工程实现存在较大难度，这也是之前所有月球着陆区都选择了着陆条件更为良好的中低纬度地区的重要原因之一。

随着工程技术的发展，月球南极地区的着陆探测已成为主要航天国家和组织未来的月球探测热点之一，主要原因在于开展月球南极探测具有较高的工程意义和科学价值。一方面，南极海拔比较高的区域（如撞击坑的边沿、山顶、山脊）具有较长时间的连续光照，良好的光照条件可以提供持续的太阳能；另一方面，在南极地区撞击坑的底部存在永久阴影区，可能存在水冰，并可为科学实验提供极低的温度环境。作为谷歌月球X 大奖赛的参赛成员，美国商业科学私人企业月球快车公司计划在2015年采用MX-1月球着陆器开展月球南极探测［2］；NASA 终止的重返月球计划，也曾选择南极作为月球基地地址［3］；ESA 计划发射月球着陆器于2019年着陆月球南极［4］；俄罗斯计划在2015年和2017年分别发射月球-25（Luna-25）和月球-27（Luna-27）在南极着陆探测［5］。

本文结合国内外已开展的相关工作，对月球南极着陆区的关键特性进行了分析，包括光照条件、对地可见和地形地貌等，并对我国开展南极探测任务规划和探测器系统设计提出了参考建议。

2 南极着陆区与中低纬度着陆区关键特性的区别

与着陆在月球中低纬度地区不同，南极着陆区有其独有的特性，主要体现在以下几个方面。

（1）光照条件。以往的月面探测任务通常最长持续时间为一个月昼，约14个地球日，进入月夜后，由于能源及温度的原因，探测器无法继续工作。嫦娥三号探测器利用携带的同位素热源（RHU），可在月夜休眠期间保证整器温度，在进入月昼后唤醒继续工作。而探测器在南极部分地区着陆，可以获得较长时间的连续光照，因此可考虑不携带同位素热源，也可开展较长时间（大于14个地球日）的连续月面探测。

（2）对地可见。探测器对地球指向高度角受着陆区纬度的影响较大，纬度越高，地球高度角越低。以南极点为例，指向地心的地球高度角变化范围为［-6．5°，＋6．5°］，考虑到复杂地形遮挡的影响，有效的对地通信时间比中低纬度地区会明显缩短。

（3）地形地貌。以往月球着陆区主要选择在月海平原（少部分任务选择在高地、峡谷或山脉，但尽可能选择在该区域内相对平坦的地区），如嫦娥三号着陆区选择在地势较为平坦的虹湾地区；整个南极地区的撞击坑分布比较密集，且直径较大，平坦区域相对较少，如距离南极点最近的Shackleton 撞击坑，其直径为20km，深度约为4km，与南极点距离约为10km。

下面针对月球南极的光照条件、对地可见和地形地貌，进行详细的说明。

3 光照条件

由于月球的自转、轨道、地形地貌等原因，南极地区的光照具有太阳高度角低、受地形地貌影响大的特点。月球赤道面与黄道面成1．54°夹角，加上物理天平动在纬度方向的影响（0．04°），纬度为88．4°以上的极区可以有长时间的夏天。但由于极区的地形环境复杂，复杂地形对太阳光照条件影响十分显著，导致月球极区存在永久阴影区（如撞击坑底部）。由于阳光永远无法照射，永久阴影区里极端低温，表层和次表层温度常年维持在40K（-233 ℃）左右；而在海拔比较高的区域，如撞击坑的边沿、山顶、山脊等地区，往往能得到长时间连续的光照。

南极地区的太阳高度角在一年中变化较小，始终在0°附近。以月球南极附近一点（89．5°S，222°E）为例［6］，给出该点一年中太阳高度角的变化情况，如图1所示。其中：黑色粗实线表示当地水平仰角变化情况；彩色虚线表示一年中太阳高度角变化情况，蓝色线表示冬季，红色线表示夏季（由于月球赤道面与黄道面存在夹角，月球南极也会有四季，主要表现在光照时间和太阳高度角的变化，夏季光照时间长，太阳高度角高，冬季光照时间短，太阳高度角低）。在每个月里，太阳从右侧运动到左侧；随着月份的变化，曲线由低到高变化，到达最高曲线以后再从最低曲线开始循环。当太阳高度角小于水平仰角时，阳光被遮挡；反之，阳光可见。在冬季，阳光被连续遮挡的时间较长；在春季或秋季，阳光只被较高的山峰遮挡，遮挡时间较短；在夏季，存在连续光照。由图1也可以看出，在（89．5°S，222°E）位置区域（如撞击坑边沿、山顶、山脊等），其水平仰角可能为负值，这主要是由地形高程变化较大造成的。

图1 南极（89．5°S，222°E）当地的水平仰角与太阳高度角在一年中的变化情况Fig．1 Local horizon and sun elevation angle over one year of a location at around 89．5°latitude and 222°longitude in south pole

由于南极地区光照受到地形影响较大，目前主要的分析方法都是采用月球轨道器的激光高度计高程数据，针对具体位置进行光照仿真分析。

3．1 应用“辉夜姬”探测器数据的光照分析

文献［7］利用日本“辉夜姬”（Kaguya）探测器的激光高度计数据，建立了大范围的南极地区高程图，分辨率分别为500m（＞85°S）和1km（80°S～85°S），区域形状是以南极为中心，边长为300km 的正方形。对该区域内的光照条件进行了分析，分析时间设置为2018年，探测器高度设置为2m，短于55h的连续阴影时间被滤除。通过分析，可以得到12个光照条件较好的区域作为备选着陆区，具体如图2［6］和表1［7］所示。

图2 南极良好光照条件主选着陆区和次选着陆区分布Fig．2 Primary and secondary landing regions with favorable illumination conditions in south pole

表1 南极良好光照条件主选着陆区和次选着陆区Table 1 Primary and secondary landing regions with favorable illumination conditions

文献［7］进一步分析了12个区域的光照条件，建立了分辨率为200m、单个区域大小4km×4km的高程图。分析结果表明：①南极地区永久光照区是不存在的；②考虑滤除短于55h的阴影，即探测器可承受最长55h的连续阴影时间，可分析得到南极部分地区存在6～10个月的连续光照；③部分备选着陆区存在长时间的光照，但区域较小，部分备选着陆区光照时间相对较短，区域较大，要根据探测器能力以及任务需求进一步分析；④光照条件受到探测器高度（实际为太阳电池阵有效高度）的影响比较显著；⑤不同年份（2016―2021年）的最长连续光照时间差别较小。

3．2 应用“月球勘测轨道器”数据的光照分析

文献［6］采用“月球勘测轨道器”（LRO）激光高度计的数据，对文献［7］中良好光照条件的区域建立了高分辨率的数字高程图（南极点纬度2°附近地区分辨率为40 m，其他区域为80 m），并进一步分析了光照条件。分析时间设置为2019年，探测器距离月面高度2m，对小于60h阴影时间、小于10h光照时间进行滤除。经过分析，CR1、LP1、GR1、SR1、MP1和MP2等地区具有较好的光照条件，最长连续光照时间为4～9个月，区域大小为几百米量级，但在该区域以外，连续光照时间迅速缩短，最长也不大于1个月，具体如图3所示，对应坐标系如图2所示。在连续光照区内也存在光照时间较短的区域间隔，这些区域主要是直径60～120 m 的撞击坑。此外，通过更改探测器距离月面的高度发现，增加探测器高度可以有效地增加光照时间。

图3 南极地区6个良好光照区域的准连续光照时间分布Fig．3 Quasi-continuous illumination period map for the six regions with favorable illumination in south pole

3．3 应用嫦娥一号卫星数据的光照分析

文献［8］中采用基于嫦娥一号卫星激光测高数据建立的数字高程图，对南极地区的光照条件进行了分析。时间从2000年1月1日到2018年12月31日，通过分析得到以下结论。

（1）未发现永久持续光照区。

（2）有长久阴影区存在，在大于87．5°S的南极区域，面积大约为2736km2，长久阴影区主要分布在比较大且深的撞击坑，包括Shoemaker（88．1°S，44．9°E）、Shackleton（89．9°S，110°E）、Faustini（87．3°S，77°E）、Sverdrap（88．5°S，152°W）、de Gerlache（88．5°S，87．1°W）、Cabeus（84．9°S，35．5°W）；其他一些未命名的撞击坑，主要分布在（87．5°S，0．0°E）、（88．7°S，160°E）、（88．2°S，112°E）、（89．5°S，73°W）。另外，经度在30°～90°和180°～300°的小阴影区是否为低温区，还要进一步证实，因为这些区域容易受到二次光反射及周围热能辐射的影响。

（3）在南极的夏季，撞击坑边沿高地处有连续的光照。

根据以上Kaguya、LRO 和嫦娥一号数据的分析，可以得到以下共性结论：南极地区存在永久阴影区，分布在大撞击坑内；不存在永久光照区，只存在长时间的准连续光照区，主要分布在南极地区撞击坑边沿、山顶、山脊等区域。

4 对地可见

由于月球正面始终对着地球，因此在月球正面赤道及中低纬度着陆的探测器可一直对地通信。不考虑地形的情况下，月球白道面与月球赤道面夹角的存在，使得在一个月球公转周期内，当地球运行至月球北半球区域时，南极地区与地球的连线会受到月球本体的遮挡；当地球运行至月球南半球区域时，南极地区与地球完全通视，所以探测器在南极点附近周期性地连续14d对地可见，再连续14d对地不可见。以南极点为例，对地心的地球高度角变化范围为［-6．5°，＋6．5°］，方位角变化范围为［-8°，＋8°］（高度角和方位角受地面不同深空测站位置影响较小，误差约为1°）。

地球同月球南极通信也受地形影响较大。例如，对MP2地区的通信条件分析结果表明，MP2地区纬度相对较低，该区域中的部分地区对地可见时间大于14d，具体如图4所示［7］，图中三维坐标表示局部地形信息。

图4 MP2地区的每月平均可视天数Fig．4 Duration of average visibility per month for site MP2

如果考虑月面对地通信最小高度角的限制，通信时间可能还会缩短。为了提高通信时间，通常还可以采用以下几种方式［9］：探测器（如着陆器）在月面可通过月球轨道中继卫星、地球轨道中继卫星、Lagrange点中继卫星、月球中继站等方式进行对地球转发通信；探测器（如巡视器）运行至撞击坑底部，可以采用低频地面波、光纤通信、类手机中继站等方式，转发给着陆器，再通过着陆器实现对地球转发通信。

对几种通信方式进行比较，说明如下。

（1）中继卫星通信：月球低圆极轨道中继卫星虽然通信速率较高，但最大的缺点是与探测器通信时间较短；而倾斜椭圆轨道中继卫星（类似Molniya轨道）与探测器通信时间较长，并且每颗卫星覆盖率较大（可达70%）；L1／L2点中继卫星由于距离较远，速率较低，与探测器通信时间没有Molniya轨道的长；地球轨道中继卫星由于轨道高度相对于地月距离仍是小量，因此对月球南极地区观测效果提高不显著。

（2）月面中继通信：低频地面波通信速率较低，且受到地形不确定性的影响；光纤通信最大的问题是光纤质量较大；类手机中继站通信的主要问题是在月面安放中继站塔架比较复杂。

通过通信方式的比较可知，采用类似Molniya轨道的月球中继卫星，具有较长的通信时间和较大的覆盖率。例如，选择中继卫星轨道倾角为53．1°，近月点高度为300km，轨道周期为12h，对于Gerlache撞击坑南部边沿的底部，每个轨道周期具有连续7h 52min的可见弧段，如图5所示。

图5 Molniya轨道上两颗中继卫星飞过月球南极地区Fig．5 View of two relay satellites in Molniya orbit over lunar south pole

5 地形地貌

南极的地形地貌对着陆安全有较大的影响。文献［6］中研究表明，坡度大于15°以及粗糙程度（大尺度坡度平面上的凸起或者凹陷，如小尺度的石块或撞击坑）大于50cm，都会对着陆安全产生影响。尽管对于月面坡度、撞击坑、石块研究开展较早，且相关文献较多，但是这些研究都没有专门针对南极地区，且数据的分辨率相对较低，因此近年来国外主要通过LRO 的激光高度计数据对坡度进行分析，通过LRO 的相机数据对撞击坑和石块进行分析，其详细结果如下。

5．1 坡度

LRO 激光高度计的分辨率为5～10m，文献［6］中主要采用5 m 大小的栅格计算地形坡度。分析区域是以高程最高点为圆心、半径为250m 的圆形区域。以CR1地区坡度分布为例，图6表示不同基线尺度下的坡度分布，大于15°的坡显示为红色。对备选着陆区坡度相对于基线的变化以及误差，如图7所示。由图7可以看出，50 m 基线情况下，各区域内平均坡度较小，位于0°～5°之间；在着陆器尺度5m 基线情况下，不同区域平均坡度相差较大，其中SR1和SR2地区（即Shackleton撞击坑边沿）的坡度要比其他地区的更加陡峭，最大可以达到约25°；其他地区在5°左右。

图6 坡度分布情况（CR1地区）Fig．6 Distribution of slope for site CR1

图7 所有主选着陆区坡度的平均值和标准差对比Fig．7 Comparison between mean slopes and standard deviations for all primary landing regions

5．2 撞击坑

撞击坑是月面较为普遍的地貌特征。不同尺度的撞击坑对着陆安全影响情况不一样，直径为4～10m 的撞击坑主要是粗糙程度影响着陆安全，而直径大于10m 的撞击坑主要是坑内坡度影响着陆安全。文献［6］中采用LRO 的相机图像对备选着陆区的撞击坑进行识别。以LP1 地区撞击坑识别情况为例，具体见图8。图8（a）中红色圆圈表示识别出的撞击坑，共计3208个，识别出的最小撞击坑直径为2．4m；图8（b）表示单位面积（平方千米）内，撞击坑直径与撞击坑累计数量的关系曲线（累计数量表示大于对应直径的撞击坑个数）。通过对所有备选着陆区撞击坑识别可知，撞击坑都近似于平衡分布。

图8 撞击坑分布情况（LP1地区）Fig．8 Distribution of craters for site LP1

5．3 石块

如果探测器着陆到石块上，将会对着陆安全造成很大的威胁，可能造成探测器结构的损坏或者使探测器产生较大角度的倾斜，甚至倾翻。文献［6］中采用LRO 的相机图像对备选着陆区的石块进行识别，像素分辨率为0．6～1．0m，可以识别出大于2m的石块；以MP2、SR1和SR2地区石块识别情况为例进行分析，具体结果如图9所示。其中：图9（a）表示MP2、SR1和SR2地区石块大小与数量累计分布的曲线；图9（b）表示SR1和SR2地区识别出石块的位置。结果表明：MP2面积约为9km2，共识别出62个石块，最大石块直径约为11．1m，50%的石块直径大于4．0m；SR1和SR2位于Shackleton撞击坑的边沿，大小为4km×2．5km，共识别出820个石块，最大直径约为18．0m，最小直径约为1．3m。对所有区域识别的石块结果表明，各区域的石块分布规律不一致，石块都是以石块群的形式分布，每个群包括几十到几百个石块。

图9 石块分布情况Fig．9 Distribution of boulders

6 启示与建议

通过对月球南极光照条件、对地可见及地形地貌研究内容的分析，可对我国月球南极着陆任务规划和探测器系统设计得到如下启示。

6．1 着陆区选择

在任务规划方面，与之前的月球中低纬度着陆探测任务相比，对着陆区的位置选择、着陆时机的选择要求更为苛刻，如果选择不当，会导致着陆后光照条件不满足功率要求无法工作，或着陆区地形条件恶劣而着陆失败。为此，本文提出以下建议。

（1）对着陆区的选择，应综合考虑光照条件、对地可见、地形地貌及着陆区大小等多方面因素，连续光照时间长、对地直接通信时间长、准连续光照期内阴影时间短、地形坡度平缓、撞击坑／石块少，以及满足有利条件的备选着陆区域范围，大多是优选的着陆区。但是，通常不可能存在各方面条件都有利的区域，所以要结合系统能力和任务特点进行权衡分析。

（2）Kaguya、LRO 及嫦娥一号数据的分析结果一致表明：南极地区不存在永久光照区，但是存在长时间的连续光照区，如SR1、SR2、CR1、MP1、MP2、LP1等地区，这些区域可作为主选着陆区。探测器可在不携带同位素热源的情况下开展较长时间的科学探测，最长时间可达9个月；为了尽可能增加着陆探测任务时间，着陆时机应选择连续光照期的初期阶段。

（3）月球南极地区光照、对地可见等受到地形条件影响较大，所以南极地区高分辨率的影像图和数字高程图对于着陆区选择十分关键，目前国外主要采用Kaguya和LRO 的激光高度计数据、相机数据进行分析。我国可采用嫦娥一号、嫦娥二号的数据结合国外数据进行分析。

6．2 探测器设计

在探测器系统设计方面，由于南极的光照条件、对地可见、地形地貌的特殊性，与之前的月球中低纬度探测器相比，对探测器的电源、测控，以及制导、导航与控制等系统提出了较高的要求，本文主要建议如下。

（1）探测器供电系统：首先，南极地区太阳高度角较低，并且变化较小，为保证整器负载的需求，就要提高太阳电池阵的输出功率，一方面，可通过提高光电转换效率实现，另一方面，可以通过让阳光垂直入射到太阳电池阵，从而最大化输出功率。因此，太阳电池阵的安装建议采用以下2种方式：①采用体装太阳电池阵，在探测器本体与月面垂直面的各个面上均安装太阳电池阵；②太阳电池阵安装在太阳翼上，太阳翼可围绕垂直于月面的轴转动。此外，南极着陆区最长连续光照时间受探测器太阳电池阵高度影响很大，太阳电池阵越高，光照时间越长，所以应尽可能提高太阳电池阵安装高度。最后，在连续光照期内，可能存在短期的阴影（约几十小时），因此蓄电池的容量应尽可能满足最长阴影时间内的整器负载。

（2）探测器测控系统：南极地区与地球直接通信时间为每个月连续的14d，为了增加通信时间，可以采用远月点在南极附近的大椭圆月球轨道中继卫星方式，因此要求探测器测控系统具备可与中继卫星和地球通信的能力。

（3）探测器制导、导航与控制系统：南极地区地形地貌复杂，具有较大撞击坑（如Shackleton撞击坑直径为20km），而备选着陆区通常只有百米量级，为了准确、安全地着陆到指定的备选着陆区内，制导、导航与控制系统要具有高精度的制导、导航与控制能力，特别是需要图像匹配制导，以及在着陆后期具有较高的自主避障能力。

（4）探测器有效载荷：越来越多新的探测数据和研究成果等，明显支持月球上有水的观点［10］，而月球极区的永久阴影区是最有可能保存水冰的理想场所。所以，探测器携带有水冰原位探测设备是科学探测比较好的选择。

（References）

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