安 恒，楊生勝，薛玉雄，石 紅，把得東，曹洲

(蘭州空間技術(shù)物理研究所真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000)

1 引言

在19世紀(jì)50年代末，美、蘇等國(guó)開(kāi)始對(duì)月球進(jìn)行探測(cè)，二戰(zhàn)后，月球探測(cè)進(jìn)入相對(duì)低潮期。而進(jìn)入20世紀(jì)90年代，月球探測(cè)活動(dòng)開(kāi)始復(fù)蘇，特別是美國(guó)前總統(tǒng)布什于1989年提出了“重返月球”的設(shè)想，美國(guó)重啟月球探測(cè)研究，分別于1994年和1997年發(fā)射了“克萊門汀”探測(cè)器與“月球勘探者”探測(cè)器。進(jìn)入21世紀(jì)，月球探測(cè)更加頻繁，進(jìn)行月球探測(cè)發(fā)射活動(dòng)的國(guó)家由美、蘇兩國(guó)擴(kuò)展到了中國(guó)、日本、歐洲、印度等國(guó)。

美國(guó)在上世紀(jì)月球探測(cè)成功的基礎(chǔ)上于2004年宣布了“新太空計(jì)劃”，該計(jì)劃中包括了較為完整的重返月球計(jì)劃。歐洲于上世紀(jì)末啟動(dòng)了月球探測(cè)計(jì)劃，2003年發(fā)射了“智慧－1號(hào)”月球探測(cè)器，成功進(jìn)行了月球探測(cè)。日本于上世紀(jì)90年代開(kāi)始陸續(xù)實(shí)施月球探測(cè)活動(dòng)，2007年成功發(fā)射“月亮女神”探測(cè)器進(jìn)行了月球探測(cè)。印度于本世紀(jì)初啟動(dòng)了月球探測(cè)計(jì)劃，2008年成功發(fā)射“月船1號(hào)”探測(cè)器，成功進(jìn)行了月球探測(cè)。我國(guó)探月工程于2004年正式啟動(dòng)，于2007年發(fā)射了“嫦娥一號(hào)”探月衛(wèi)星，成功進(jìn)行了月球探測(cè)。截止至2011年5月，人類共發(fā)射了221顆月球探測(cè)器，占到了深空探測(cè)器總數(shù)的約70%。歷次月球探測(cè)都搭載了多種有效載荷，以對(duì)月球空間環(huán)境、月球元素、地形地貌等進(jìn)行探測(cè)。

2 國(guó)外月球探測(cè)有效載荷發(fā)展?fàn)顩r

2.1 美國(guó)

美國(guó)從阿波羅計(jì)劃開(kāi)始，已成功發(fā)射了多顆月球探測(cè)器，尤其是20世紀(jì)90年代提出“重返月球”計(jì)劃后，更是發(fā)射了多顆月球探測(cè)器，此時(shí)的月球探測(cè)主要以環(huán)境探測(cè)為主，如1994年和1997年發(fā)射了“克萊門汀”探測(cè)器與“月球勘探者”(Lunar Prospector)探測(cè)器。于1998年1月7日成功發(fā)射Lunar Prospector探測(cè)器如圖1所示，探測(cè)器飛行在圓形極軌道，軌道高度100km，每13.7天即可覆蓋月球全表面［1］。探測(cè)器外形結(jié)構(gòu)如圖 2 所示［2］。

圖1 Lunar Prospector外形示意圖和載荷配置

圖2 LRO探測(cè)器外形結(jié)構(gòu)圖

探測(cè)器搭載了5個(gè)有效載荷(如下表1所列)，主要用于探測(cè)近月軌道的輻射環(huán)境。

表1 LP探測(cè)器配制的環(huán)境載荷

進(jìn)入21世紀(jì)，美國(guó)在之前月球探測(cè)成果的基礎(chǔ)上于2004年宣布了“新太空計(jì)劃”，該計(jì)劃包括了較為完整的重返月球項(xiàng)目，將分階段發(fā)射多顆月球探測(cè)器，2009年6月18日成功發(fā)射的LRO探測(cè)器就是該計(jì)劃中的一個(gè)，其載荷配制如下表2所列。

2011年9月10日，美國(guó)發(fā)射了“月球重力場(chǎng)反演與內(nèi)部實(shí)驗(yàn)室”(GRAIL)探測(cè)器［3］。GRAIL由A、B雙星組成。通過(guò)相互間的精確測(cè)距來(lái)反演月球重力場(chǎng)。由于該任務(wù)采用了小能量轉(zhuǎn)移軌道，因此，地月轉(zhuǎn)移需要3～4個(gè)月的時(shí)間?！癎RAIL”的效果圖與實(shí)物如圖3所示。

GRAIL探測(cè)器共配制了兩類載荷:

(1)月球重力測(cè)距系統(tǒng)(LGRS)

LGRS主要用于精確測(cè)量GRAIL－A與GRAIL－B之間的距離變化情況，測(cè)量精度在微米量級(jí)，是本次任務(wù)的主載荷。LGRS需要A、B雙星之間配合工作，因此兩顆GRAIL衛(wèi)星上均需配置相同的LGRS載荷［4］。LGRS的原理框圖如圖4所示:

(2)小型月球成像系統(tǒng)(MoonKAM)

除了月球重力場(chǎng)測(cè)量與反演的主任務(wù)外，GRAIL還配制了一套數(shù)字成像系統(tǒng)，主要用于月表圖形成像。MoonKAM系統(tǒng)有四個(gè)攝像頭，拍攝不同方向的月球影像，包括一個(gè)窄視場(chǎng)鏡頭(視場(chǎng)角5.4°)和三個(gè)寬視場(chǎng)鏡頭(視場(chǎng)角44°)。

表2 LRO的載荷配制及性能指標(biāo)

綜上所述，從美國(guó)月球探測(cè)器搭載的有效載荷發(fā)展?fàn)顩r可以看出，早期的月球探測(cè)以科學(xué)探測(cè)為主，主要用于科學(xué)研究且載荷功能單一，后期的月球探測(cè)，除了科學(xué)探測(cè)以外，還對(duì)月球輻射環(huán)境以及相應(yīng)的輻射效應(yīng)進(jìn)行了探測(cè)，并且單個(gè)探測(cè)器搭載的載荷數(shù)量也相對(duì)增多，載荷的功能也越來(lái)越復(fù)雜，逐步向綜合化、多功能化趨勢(shì)發(fā)展。

圖3 GRAIL探測(cè)器的效果圖

圖4 LGRS載荷的原理框圖

2.2 日本

日本自上世紀(jì)90年代開(kāi)展月球探測(cè)活動(dòng)，迄今已成功發(fā)射了多顆探測(cè)器。如1990年1月，日本發(fā)射了首個(gè)月球探測(cè)器 HITEN。如圖5所示。

圖5 HITEN探測(cè)器實(shí)物圖

日本首顆月球探測(cè)器，HITEN以技術(shù)試驗(yàn)為主，唯一的科學(xué)目標(biāo)為地月環(huán)境的塵埃測(cè)量與研究。攜帶的唯一一臺(tái)有效載荷為西德塵埃計(jì)數(shù)器(MDC)，用來(lái)記錄撞向探測(cè)器的塵埃顆粒的重量、速度和方向，獲取地月轉(zhuǎn)移過(guò)程以及環(huán)月軌道附近的空間塵埃環(huán)境數(shù)據(jù)。

2007年9月14日，日本發(fā)射了“月亮女神”月球衛(wèi)星［5］?！霸铝僚瘛碧?hào)由主環(huán)繞器和兩枚子衛(wèi)星組成，日本航天界稱為“繼Apollo工程之后最大規(guī)模的月球探測(cè)任務(wù)”。“月亮女神”的外形效果圖與實(shí)物如圖6所示。

圖6 “月亮女神”探測(cè)器圖

“月亮女神”號(hào)探測(cè)器主要是為了探索月球和地球的起源，研究月球的形成和演化過(guò)程;觀測(cè)月球地表與空間環(huán)境;同時(shí)精確測(cè)量月球重力場(chǎng)。為此，搭載的有效載荷主要有多波段成像儀、地形測(cè)繪相機(jī)、測(cè)月雷達(dá)、月球磁強(qiáng)計(jì)、高清電視攝像機(jī)等［6］，如表3所列。

表3 “月亮女神”載荷配制

2.3 歐空局

近年來(lái)歐空局的典型月球探測(cè)器是2003年9月27日成功發(fā)射升空的SMART－1探測(cè)器。SMART－1是歐洲的首顆月球探測(cè)器，也是人類第一個(gè)采用霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)月球探測(cè)器。如圖7所示。

科學(xué)目標(biāo) 有效載荷 科學(xué)任務(wù)探測(cè)月球表層和次表層結(jié)構(gòu)地形測(cè)繪相機(jī) 獲取月球表面高分辨地形數(shù)據(jù)測(cè)月雷達(dá) 利用高功率雷達(dá)脈沖，探測(cè)表面至數(shù)千米深度的月殼分層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征激光高度計(jì) 利用高功率激光脈沖，精確測(cè)定月面地形高程，建立月球數(shù)字高程模型研究地球等離子體的行為結(jié)構(gòu)帶電粒子譜儀 測(cè)量月球軌道處宇宙射線粒子的豐度，以及氡(Rn)、釙(Po)等放射性元素月球磁強(qiáng)計(jì) 測(cè)量月球及其附近由巖石剩余磁性形成的微弱磁場(chǎng)，反演月球剩余磁場(chǎng)衰變產(chǎn)生的阿爾法射線探測(cè)月球環(huán)境上層大氣和等離子體成像儀 在月球軌道處對(duì)地球磁層和電離層進(jìn)行成像，探測(cè)月球電離層探測(cè)月球重力場(chǎng)分布等離子體分析儀 測(cè)量月球軌道上低能電子的三維空間分布和低能離子的質(zhì)量分布無(wú)線電掩星觀測(cè) 測(cè)量VLBI射電源子探測(cè)器(V星)發(fā)出的無(wú)線電頻率信號(hào)的相位偏差，開(kāi)展掩星觀測(cè)，空間四路多普勒測(cè)量 精確測(cè)定主探測(cè)器的軌道擾動(dòng)，反演月球重力場(chǎng)高清晰電視畫面 高清電視攝像機(jī) 拍攝月球和地球的電視畫面，反演月球背面局部地區(qū)的重力場(chǎng)差分VLBI射電源 測(cè)定中繼子探測(cè)器(R星)和V星的軌道，特別是地球從月球地平線上升起的畫面

探測(cè)器主要用于對(duì)月球表面進(jìn)行X射線和紅外線遙感采樣繪制地圖，從不同的角度拍攝插圖并建立月球表面地圖的三維模型;同時(shí)探測(cè)月球的化學(xué)成分組成，使用紅外線搜尋月球南極固態(tài)水的存在。因此，SMART－1共配置了7類載荷，具體如表4所列。

SMART－1在軌飛行中，成功獲得了一些科學(xué)成果，如X射線譜儀獲得了高分辨率元素分布圖;對(duì)月球遠(yuǎn)地面進(jìn)行了首次光譜探測(cè);在Mare Crisium地區(qū)探測(cè)到鈣元素;獲得了月球南極光照較差地區(qū)的環(huán)形山光學(xué)圖像。

圖7 SMART－1探測(cè)器圖

2.4 印度

2008年10月22日，印度的首顆月球探測(cè)器“月船1號(hào)”在斯利哈里柯塔島發(fā)射。“月船1號(hào)”是印度的第一次月球探測(cè)。探測(cè)器包括一個(gè)月球環(huán)繞器和一個(gè)硬著陸器，如圖8所示。“月船1號(hào)”于2008年11月14日成功釋放硬著陸器，著陸于月球南極附近［8］。

“月船1號(hào)”主要是用于生成月球正面和背面的三維圖像(空間和高度分辨率為5～10 m)，對(duì)全月面進(jìn)行化學(xué)和礦物學(xué)測(cè)繪，約25 km的空間分辨率獲取鎂、鋁、硅、鈣、鐵和欽等元素的分布資料，約20 km的空間分辨率獲取氛、鈾和牡等大原子序數(shù)元素的分布情況，以推斷月球的早期演化史。因此，“月船1號(hào)”探測(cè)器共攜帶11臺(tái)有效載荷［9］，其主要科學(xué)目標(biāo)和相應(yīng)有效載荷見(jiàn)表5所列。

圖8 “月船1號(hào)”探測(cè)器圖

3 月球探測(cè)有效載荷配制建議

隨著月球探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，一些新技術(shù)、新型電子器件在探測(cè)器上的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，導(dǎo)致有效載荷的性能越來(lái)越高，功能越來(lái)越多樣化。通過(guò)分析以上國(guó)外月球探測(cè)載荷配制的分析，建議月球探測(cè)載荷配制考慮以下幾個(gè)方面:

(1)加強(qiáng)對(duì)月球環(huán)境的探測(cè)，盡量減小空間環(huán)境對(duì)探測(cè)器的影響

要加強(qiáng)月球輻射環(huán)境引起的充放電效應(yīng)、單粒子效應(yīng)的研究，著重考慮輻射敏感器件的抗輻射優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高抗輻射能力。

(2)加強(qiáng)探測(cè)器異常預(yù)警能力

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大范圍的高能太陽(yáng)質(zhì)子事件，及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，指導(dǎo)探測(cè)器的在軌管理和故障處理，盡可能最大程度的減小太陽(yáng)質(zhì)子事件對(duì)探測(cè)器的輻射損傷。

(3)加強(qiáng)集成化載荷的研制

隨著電子器件集成度的不斷提高，研制小型化、多功能的載荷，實(shí)現(xiàn)輻射環(huán)境與效應(yīng)的綜合監(jiān)測(cè)，提高工程應(yīng)用能力。

表4 SMART－1載荷配制

表5 “月船1號(hào)”載荷配制

?

4 結(jié)語(yǔ)

從國(guó)外月球探測(cè)中看出，早期的月球探測(cè)以探測(cè)月球環(huán)境科學(xué)為目的，而后期月球探測(cè)器的載荷配制越來(lái)越全面，尤其是近些年來(lái)，國(guó)外的月球探測(cè)器對(duì)輻射效應(yīng)進(jìn)行了相應(yīng)的探測(cè)研究，研制了一些輻射效應(yīng)監(jiān)測(cè)器，與輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)器配合，進(jìn)一步全面了解月球輻射環(huán)境的危害性，為月球探測(cè)器的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。同時(shí)，探測(cè)器配制的載荷呈現(xiàn)出小型化、多功能化、模塊化的發(fā)展趨勢(shì)。

［1］Francisco J.Andolz.LUNAR PROSPECTOR MISSION HANDBOOK［M］.Ames Research Center.April 10，1998.

［2］Richard Vondrak ，John Keller，Gordon Chin.Lunar Reconnaissance Orbiter(LRO):Observations for Lunar Exploration and Science［J］.Space Sci Rev.2010(150):7 ～22.

［3］NASA's Exploration Systems Architecture Study，F(xiàn)inal Report，NASA－tm－2005－214062.

［4］The Robotic Lunar Exploration Program(RLEP)－An Introduction to the Goals［J］.Approach，and Architecture，AIAA.2005 ～2548.

［5］Kato M，sasaki s，Tanaka K，et al.The Japanese luIlar mission SELENE:Science goals and present status［J］.Advances in Space Research.2008(42):294 ～300.

［6］鄭永春，鄒永廖，付曉輝.月亮女神探月計(jì)劃的有效載荷與科學(xué)探測(cè)綜述［J］.航天器工程.2011(3):108～119.

［7］Bernard Foing.Smart－1 Instrument Technology［J］.Planetary Science ＆ Exploration.2003(12):118 ～126.

［8］Goswami J.N.，Annadurai M.Chandrayaan－1:India's First Planetary Science Mission To The Moon［J］.Curr.Sci.96(4):486～491.

［9］Goswami J.N，Thyagarajan K，Annadurai M.Chandrayaan－1:Indian Mission To Moon［J］.Lunar and Planetary Science .2006:1567～1577.