探秘登月着陆点

2023-10-15文/天星

科学24小时 2023年10期

文/天星

选址标准

正确选择登月着陆点是登月计划中的关键一环，它直接决定着整个载人登月任务的成功与否。由于月表的恶劣天气状况以及复杂的地形情况，登月着陆点的选址需考虑多方面的因素，结合照明条件、地形坡度、与地球通信的难易程度、太空发射系统火箭运行状况等来作出选择。具体而言，月球着陆点选址应满足5个标准：一是水源丰富，拥有水冰资源。这些水冰不仅可以支持未来人类月球基地对用水的需求，还可以通过电解提取氢气和氧气，为火箭发动机提供燃料。二是地理条件优越，阳光照射时间长，月地通信位置佳。三是地形地貌平坦，着陆器起降安全，通信顺畅，运输作业条件良好。四是资源丰富，蕴藏氧气、氧化铁等各种矿物，为未来建设月球基地提供资源。五是存在大量不同类型的自然物体，有利于开展科学探测任务。

选址范围

未来，登月着陆点附近将建造月球基地，因此选址位置与月球基地的实际需求紧密相关。一般而言，选址范围可分为三类，即极地地区、赤道地区和月球正面或背面的平原地区。

月球表面地貌

月球极地地区具有独特优势，该地区的一些陨石坑和阴影区域内存在丰富的水冰和水源。利用水冰等资源可以给氢燃料电池充电，从而确保在黑夜、月食期间，或在任何影响太阳能收集的事件或故障的情况下，拥有足够的储备能源来维持月球基地的正常运转。美国“克莱门汀号”月球探测器的雷达扫描表明，月球南极周围存在水冰。2008 年，“月球勘探者”探测器报告，月球南极的氢丰度增强，而月球北极的氢丰度更高。美国宇航局计划于2025年前发射“阿尔忒弥斯3 号”飞船，宇航员极有可能在月球南极登陆。此外，月球的自转轴几乎垂直于黄道面，且月球极地圈的半径小于50 千米，因此极地地区内的阳光照射时间长，使得通过太阳能为通信站等设备供电成为可能。只有在月食期间，极地地区才无法获取太阳能，但月食时间相对短暂，而且是可预测的。

月球运行缓慢，相应的赤道轨道与黄道面重合，与环绕地球的月球轨道几乎重合，与地球赤道面也几乎重合。月球赤道附近富含“氦-3”，可就地开采精炼。而且，由于太阳风具有更大的入射角，月球赤道地区的“氦-3”浓度可能比预计的更高。

在月球正面可与地球直接通信，若在L2 拉格朗日点部署通信卫星，或建设月球卫星网络，就可以实现月球与地球之间的全时空通信。而月球背面则可以屏蔽地球信号，对于大型射电望远镜来说，月球背面可成为一个绝佳的架设位置。而且月球上没有大气层干扰，这个位置也适合通过光学望远镜观测太空和宇宙。此外，月球正面可以找到含有钛基的矿物，而月球背面的平原地区可以找到浓度最高的“氦-3”。

最佳选址

为成功实施登月计划，我国科学家共选取了10 余个月球着陆点作为备选方案，并进一步优选了以下4个陨石坑或山峰附近的地点。

沙克尔顿陨石坑

沙克尔顿陨石坑是位于月球南极艾特肯盆地的一个撞击坑，坐标为南纬89.9 度、东经0 度，直径约21.0千米，深度约4.2 千米，日出时阳光照射角度为0 度。沙克尔顿陨石坑的地质年龄约36 亿年，至少在月球南极附近存在了20 亿年。1994 年，国际天文联盟将这个陨石坑以英国的南极探险家欧内斯特·沙克尔顿的名字命名。

日本“赛琳娜号”探测器的地形相机拍摄了沙克尔顿陨石坑的照片。该地形相机利用陨石坑边缘的光照反射进行地形测量。测量结果显示，沙克尔顿陨石坑中心峰高度约200米，而陨石坑内部由一个对称的30°坡度组成，直径为6.6 千米。陨石坑内部跨度不超过几百米，其底部覆盖着一个不均匀的丘状特征，厚度为300～400 米。

沙克尔顿陨石坑的地球雷达图像

沙克尔顿陨石坑边缘的山峰持续暴露在阳光下，每月暴露在阳光下的时间占80%至90%。它们被称为“永恒照亮的高峰”。陨石坑内部则长期处于阴影中，坑内温度不高于-173℃，底部达到-185℃。内部低温起着冷阱的作用，它可以捕获并冻结彗星撞击月球时释放的挥发物和水分。“探月者号”探测器的测量显示，陨石坑内的氢含量高于正常水平，这表明这里可能存在水冰。

沙克尔顿陨石坑也被提议作为未来大型红外望远镜的观测点。陨石坑底部的低温提供了红外观测的理想条件，而陨石坑边缘放置的太阳能帆板或发电站可以为天文台提供近乎连续的能量。

我国的第一个登月着陆点很有可能选择在沙克尔顿陨石坑附近，并在这里建设第一个月球基地。这个位置具备可靠性、安全性和可持续性，有利于为首批月球居民提供必要的基本生活保障。

马拉珀特陨石坑

马拉珀特陨石坑位于月球南部，坐标为南纬84.9度、东经12.9度，直径约69 千米，深度未知，日出时阳光照射角度为利于阳光照射的0 度。这个陨石坑以16 世纪的比利时天文学家、宇宙学家查尔斯·马拉珀特的名字命名。马拉珀特陨石坑的边缘周围形成了一个不规则的山峰环，边缘的西侧多撞击坑，而东南边缘则分布了一些小陨石坑，地质特征丰富多样。

马拉珀特陨石坑的边缘西南部形成了一条东西走向的隆起山脉，这条山脉被命名为“马拉珀特山”。马拉珀特山坐标为南纬85.75 度、东经2 度，海拔约5000 米，从山脚到山顶的垂直距离可能高达8000 米。马拉珀特山非常古老，风化层发育良好。而且，马拉珀特山大部分时间都暴露在阳光下，号称“永恒阳光之峰”。如果在这里安装两个紧密排列的太阳能电池阵列，将获得几乎连续的电力。马拉珀特山紧邻马拉珀特陨石坑，距离沙克尔顿陨石坑约116千米，这意味着它可以为这两个陨石坑提供电力和通信。得益于马拉珀特山得天独厚的优势，国际月球观测站（ILO-1）计划建造在这里，并计划将用于观测的光学望远镜安置在马拉珀特山的山脊上。

马拉珀特山

马拉珀特山上的地月通信设备

2023 年第3 季度，美国宇航局将发射“直觉一号”探测器，它的科学目标是在马拉珀特陨石坑边缘放置着陆器。由于位置极佳，我国的第一个月球着陆点和月球基地也将考虑选择在马拉珀特陨石坑附近，这里亦可作为我国月球南极探险队返回地球的发射场。

皮尔陨石坑

皮尔陨石坑是距离月球北极最近的大型撞击坑。皮尔陨石坑的坐标为北纬88.63 度、东经24.4 度，直径约79 千米，深度约1.5 千米，日出时阳光照射角度为25°。因为皮尔陨石坑坐落于月球北极附近，所以它以美国早期北极探险家、海军军官罗伯特·皮尔的名字命名。在这个纬度上，陨石坑内部所能照射到的阳光很少，而陨石坑底部最南端的部分区域可永久地笼罩在阴影中。

美国月球探测器搭载的激光测高仪拍摄的阴影地形图：皮尔陨石坑（中心），北极位于它的北（上）部

美国“月球轨道器4 号”飞行器拍摄月球并发回第一批清晰图像后，皮尔陨石坑的真实面目才得以揭晓。皮尔陨石坑几乎呈圆形，沿着东北边缘向外微微凸出。在西南边缘有一个缺口，在那里与比它稍小的弗洛里陨石坑相连。皮尔陨石坑的外缘已经磨损和侵蚀，形成了一个崎岖的山环，在陨石坑底部投射出长长的阴影。皮尔陨石坑底部相对平坦，但仍有几个小陨石坑，特别是在东南部分。陨石坑内部南端三分之一的部分都隐藏在阴影中。因此，只有通过激光测高测距方法，才能较准确地辨别出它的内部地貌特征。皮尔陨石坑底部是太阳系最冷的地方之一，其平均温度为-243℃～-233℃。皮尔陨石坑的内部也可能有氢气气体沉积。

美国“克莱门汀号”月球探测器在月球北半球夏季拍摄的图像显示，除月食期间外，皮尔陨石坑外部边缘的4个山区在这一时间段内持续受到阳光照射，这与月球极微小的轴向倾斜有关。月球探测器收集了更详细的月球地形信息，除了皮尔陨石坑，月球上没有任何地点在冬季或夏季能持续不断地接收到阳光照射。

皮尔陨石坑北部被认为是未来登月着陆点及建立月球基地的最佳地点之一。因为这里在一段时间内近乎恒定的光照，可以提供相对稳定的温度和几乎不间断的太阳能。同时，皮尔陨石坑内部的永久阴影区域中可能含有一定数量的冷冻水，这也是它的优势条件之一。

惠普尔陨石坑

惠普尔陨石坑靠近月球北极，位于伯德陨石坑和皮尔陨石坑的东部，坐标为北纬89.1 度、东经118.2 度，直径约15.7 千米，深度3.1 千米。2009 年，国际天文学联合会以美国天文学家弗雷德·劳伦斯·惠普尔的名字命名了它。

惠普尔陨石坑永远不受阳光照射，因此该陨石坑内常年保持着极度低温，温度通常不高于-170℃。若挥发性原子和分子（如水分子）进入陨石坑中，会因陨石坑内普遍存在的极冷气温条件而被冻结，且能在极长的时间内保持冻结和稳定，甚至可达数十亿年。此外，惠普尔陨石坑的雷达反射特征很高，这表明该陨石坑内存在着至少2 米厚的相对纯净的冰沉积物，它们可能已与风化层混合，也可能呈层状分布。这些冰沉积物实际是由水、液态氢和液态氧构成的，后两种物质也是制作火箭推进剂燃料的主要原料。

此外，惠普尔陨石坑毗邻一个准永久性阳光照射的大型高原。在这个大型高原上，全年平均80%的时间可见阳光。按照月球的气象标准，这种准永久性阳光照射区域的温度条件相当温和，平均约为-50℃，上下浮动10℃。这种永久性阴影陨石坑毗邻准永久性阳光高原的组合，在月球北极地区是独一无二的，为后续的科考活动提供了良好的自然条件。