月球探測(cè)最新進(jìn)展

曾 坤,李建成

(武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,湖北武漢 430079)

月球探測(cè)最新進(jìn)展

曾 坤,李建成

(武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,湖北武漢 430079)

介紹當(dāng)今各國(guó)探月的最新進(jìn)展,研究中國(guó)的“嫦娥”計(jì)劃和日本的“月球女神”計(jì)劃的科研目標(biāo)和科學(xué)荷載,分析其各自的優(yōu)勢(shì)以及創(chuàng)新之處,并展望月球科學(xué)的發(fā)展方向。

月球探測(cè);最新進(jìn)展;嫦娥計(jì)劃;月球女神

一、引 言

月球上儲(chǔ)備著極其豐富的資源,已知有 100多種礦物,其中有 5種是地球上沒(méi)有的,在月球表面厚厚的塵土里蘊(yùn)藏著一種非常重要的能源——氦 3,它在地球上十分罕見(jiàn),是可供核聚變的主要原料之一。據(jù)估計(jì),月球上有 300到 500萬(wàn)噸的氦 3儲(chǔ)量,能夠支持地球 7 000年的電量。此外,由于月球特殊的地理結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的自然環(huán)境,使許多在地球上無(wú)法進(jìn)行的研究與實(shí)驗(yàn)可以在月球上順利完成,這對(duì)醫(yī)學(xué)研究和植物栽培將起到意想不到的促進(jìn)作用。人類(lèi)未來(lái)通過(guò)在月球上建立科研基地進(jìn)行天文學(xué)、空間科學(xué)、地球科學(xué)、生命科學(xué)以及材料學(xué)等的研究,有助于人類(lèi)更好地了解月球、地球和太陽(yáng)系起源和演化等問(wèn)題。

二、美俄最新探月計(jì)劃

1976—1986年的 10多年間,月球探測(cè)處于低潮期。這期間世界各國(guó)均未發(fā)射月球探測(cè)器,只有美國(guó)一直沒(méi)有停止過(guò)建立月球基地的準(zhǔn)備工作,先后進(jìn)行過(guò)兩次“生物圈”密閉生產(chǎn)系統(tǒng)試驗(yàn)計(jì)劃。并計(jì)劃從 2008年起,將向月球表面發(fā)射一系列的機(jī)器人探測(cè)器,以便為未來(lái)的載人探測(cè)與研究做好準(zhǔn)備;2015年用代替航天飛機(jī)的“乘員探索飛行器”進(jìn)行更廣泛的載人月球探測(cè)。這一階段的主要目標(biāo)是獲取如下科研參數(shù):月球軌道深層空間輻射環(huán)境特征、月球全球地形、高空間分辨率氫分布圖、極地陰影區(qū)域溫度測(cè)量、永久陰影區(qū)表面成像、鑒定極地寒冷洼地區(qū)近地表水冰存在、評(píng)估著陸點(diǎn)的米級(jí)或更小規(guī)模的特征、描述極區(qū)照明環(huán)境等。

俄羅斯隨著經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇,在探月方面也有東山再起之勢(shì)。2007年 1月 12日,俄羅斯能源航天與火箭公司宣布了登月三步走:2010—2015年研制出新型的“聯(lián)盟”系列飛船,實(shí)現(xiàn)多次登月飛行;2015—2020年利用飛船建立起地球與月球之間的運(yùn)輸通道;2020—2025年在月球上建立永久基地,并開(kāi)始開(kāi)發(fā)月球上的資源。俄羅斯拉沃奇金科學(xué)生產(chǎn)聯(lián)合公司也表示將在 2009—2010年開(kāi)始實(shí)施自己的探月計(jì)劃:第一階段是實(shí)施“月球—全球”探測(cè)計(jì)劃,發(fā)射探月衛(wèi)星,為未來(lái)的月球車(chē)登陸月面選擇地理位置;第二階段于 2012年向月球發(fā)射科學(xué)實(shí)驗(yàn)室,進(jìn)行多光譜探測(cè);第三階段將月球土壤樣品帶回地球;第四階段在月球表面選擇建立自動(dòng)探測(cè)基地的最佳區(qū)域,為未來(lái)的載人登月計(jì)劃做準(zhǔn)備。

三、中國(guó)“嫦娥”計(jì)劃及其科研目標(biāo)

我國(guó)的探月工程雖然起步較晚,但起點(diǎn)較高,總體上可以分為“環(huán)、落、回”三個(gè)階段實(shí)施。第一階段 (2007年)發(fā)射“嫦娥一號(hào)”環(huán)月衛(wèi)星,在離月球表面 200 km高度的月球極地軌道飛行,開(kāi)展拍攝三維圖像等工作;第二階段 (計(jì)劃 2010年)探測(cè)器將選擇合適的地點(diǎn)進(jìn)行軟著陸,利用月球機(jī)器人進(jìn)行進(jìn)一步的探測(cè)與研究;第三階段 (計(jì)劃 2020年)探測(cè)器將采集月球樣品,并將樣品送回地球進(jìn)行分析與研究。“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星有效載荷系統(tǒng)有 8種探測(cè)儀器,共 24件硬件設(shè)備,總質(zhì)量小于 170 kg。

1.立體相機(jī)和激光高度計(jì)

利用立體相機(jī)和激光高度計(jì)來(lái)獲取月球表面三維立體影像,相機(jī)的分辨率為 120m,月表成像寬度為60 km,激光高度計(jì)的分辨率為 1 m,最大誤差為 5m。“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星的相機(jī)設(shè)計(jì)很巧妙,只用了一臺(tái)相機(jī),它利用一片面陣 CCD組成了相機(jī)的電子“底片”,在衛(wèi)星飛行過(guò)程中每次只取 CCD面陣中的前、中、后三行像素的信號(hào),相機(jī)在隨衛(wèi)星飛行的過(guò)程中,對(duì)月球表面進(jìn)行“逐行掃描”,就會(huì)獲得星下點(diǎn)、前視 17°、后視 17°三個(gè)視角形成的三幅二維原始圖像數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)三維重構(gòu)后就能重現(xiàn)月球表面三維立體影像。

2.X射線譜儀、γ射線譜儀以及干涉成像光譜儀

X射線譜儀、γ射線譜儀以及干涉成像光譜儀用來(lái)分析月球表面元素及礦物的含量和分布。X射線譜儀和γ射線譜儀只能探測(cè)月球表面含有的元素,并不知道這些元素形成了哪些礦物質(zhì),但是由于不同的礦物質(zhì)能吸收不同的光波,利用干涉成像光譜儀就能判斷巖石的種類(lèi)。為了避免宇宙射線打到衛(wèi)星上產(chǎn)生γ射線干擾觀測(cè),“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星攜帶的γ射線譜儀中主探測(cè)器晶體的一個(gè)面朝向月球,其他面都用同一種反符合晶體包裹起來(lái),這樣直接進(jìn)入γ射線譜儀主晶體的射線來(lái)自月球,而先穿過(guò)反符合晶體,再進(jìn)入γ射線譜儀主晶體的射線則是來(lái)自衛(wèi)星本身,這樣就能很容易地區(qū)分出來(lái)自月球的γ射線了。

3.微波探測(cè)儀

“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星首次利用微波輻射手段來(lái)探測(cè)月壤的厚度,雖然這種手段探測(cè)月壤還備受爭(zhēng)議,其數(shù)據(jù)處理的方法還需要在實(shí)踐中加以檢驗(yàn)和改進(jìn),但其可行性已被越來(lái)越多的科學(xué)家認(rèn)同。利用不同頻率的微波信號(hào)穿透月球表面物質(zhì)的能力區(qū)別,便可獲取月壤的厚度信息,“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星上的微波探測(cè)儀被設(shè)計(jì)成多頻微波輻射計(jì),利用測(cè)得的月表不同波段的微波輻射能量信息,就能分析出月壤的厚度。

4.高能粒子探測(cè)器和太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)器

高能粒子探測(cè)器和太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)器能探測(cè)太陽(yáng)高能帶電粒子多種成分和太陽(yáng)風(fēng)離子詳細(xì)能譜、方向和體速度等。科學(xué)家在地球上測(cè)到的太陽(yáng)風(fēng)在地球磁場(chǎng)的作用下完全變形,月球雖然繞地球運(yùn)轉(zhuǎn),但受地球磁場(chǎng)的影響極弱,那里能探測(cè)到原始的太陽(yáng)風(fēng),對(duì)月球的空間輻射環(huán)境進(jìn)行探測(cè),可為人類(lèi)登陸月球提供科學(xué)依據(jù)。

四、日本“月球女神”(SELENE)計(jì)劃及其科學(xué)荷載

日本由于自身自然資源十分匱乏,對(duì)探月一直非常感興趣,欲在月球開(kāi)發(fā)方面占有一席之地,以期挖掘月球豐富的資源,因此投入了相當(dāng)大的財(cái)力物力,啟動(dòng)了繼美國(guó)“阿波羅”計(jì)劃之后最大的月球探測(cè)項(xiàng)目——“月球女神”(SELENE)計(jì)劃。“月球女神”探測(cè)器共攜帶 16臺(tái)科學(xué)探測(cè)儀器,將以前所未有的精度對(duì)月球表面的地形進(jìn)行全面觀測(cè),獲取的數(shù)據(jù)可以研究包括月球化學(xué)成分構(gòu)成、地形結(jié)構(gòu)、地表特征、重力場(chǎng)和粒子環(huán)境等,還能繪制月球的礦藏分布圖,并對(duì)月壤中的放射性元素進(jìn)行分析,了解月球起源和演化過(guò)程。其主要科學(xué)荷載如下。

1.X射線光譜儀(XRS)

它能確定每種月球地貌的巖石類(lèi)型,并勘測(cè)其區(qū)域變化模式,以 20 m的分辨率測(cè)量整個(gè)月殼的鎂、鋁、硅、鈣、鐵等主要元素成分,從而研究月球的起源和演變。該儀器將覆蓋除極區(qū)外約百分之九十的月面,具有能量分辨率高、探測(cè)面積大的特點(diǎn),其中太陽(yáng)X射線監(jiān)視器、X射線熒光校準(zhǔn)器將利用標(biāo)準(zhǔn)樣品和同時(shí)進(jìn)行的太陽(yáng) X射線監(jiān)視進(jìn)行元素定量分析。

2.γ射線光譜儀(GRS)

它與 X射線光譜儀的用途一樣,用于研究月球組成元素分布,該儀器可確定氫發(fā)射的γ射線,并能對(duì)氫進(jìn)行測(cè)繪,其觀測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度高,可提供有關(guān)月球起源和演變的線索,為月球探測(cè),特別是對(duì)判斷水的存在作出貢獻(xiàn)。

3.光譜輪廓儀

“月球女神”探測(cè)器上裝有光譜輪廓儀、多頻段成像器和地形照相機(jī)三種高性能光學(xué)儀器,其中光譜輪廓儀的空間分辨率為 500 m,視場(chǎng)為 0.23°,采用衍射光柵,波段數(shù)量為 296個(gè),帶寬為 6～8 nm。該儀器將觀測(cè)星下月面,并用兩個(gè)光柵以 296種波長(zhǎng)對(duì)表面反射光進(jìn)行分光。

4.多譜段成像器(MI)

它是推掃型成像器,有兩臺(tái)天底視望遠(yuǎn)鏡,帶有二維探測(cè)器和帶通濾波器,能以 9種不同的波長(zhǎng)對(duì)月面進(jìn)行連續(xù)觀測(cè),該儀器可在紫外—可見(jiàn)光—紅外頻段成像,采用帶通濾波器,帶寬 10～50 nm,用于研究月球的礦物分布。

5.月球雷達(dá)探測(cè)儀(LRS)

它是利用高頻雷達(dá)偶極天線 (全翼展尺寸30m)發(fā)射頻率為 5MHz的大幅射頻脈沖來(lái)穿入月球的亞表面區(qū),當(dāng)電波遇到月球亞表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生回波脈沖信號(hào),從而得到月球的亞表面結(jié)構(gòu)信息。采用這種低頻雷達(dá)技術(shù)能對(duì)水平尺度幾十千米的地區(qū)進(jìn)行幾千米深的亞表面結(jié)構(gòu)的測(cè)繪,所以可研究月球表面幾千萬(wàn)年的熱輻射。其表觀深度為 5 km,距離分辨率優(yōu)于 100 m。它對(duì)月球周?chē)男行请姴ê偷入x子體波進(jìn)行觀測(cè)時(shí),不受來(lái)自地球的人造噪聲和太陽(yáng)輻射的干擾。

6.激光測(cè)高計(jì)(LALT)

激光測(cè)高計(jì)是從主衛(wèi)星向月球發(fā)射激光脈沖,精確測(cè)量從月球返回信號(hào)的雙程時(shí)間。它能夠在月球極軌道上獲得沿主衛(wèi)星軌跡的全球距離數(shù)據(jù),用于對(duì)主衛(wèi)星到天底方向的月面進(jìn)行激光測(cè)距。其空間分辨率為 80m,測(cè)距精度為 5 m,可首次建立一個(gè)精準(zhǔn)的月球全球地形圖。該測(cè)高計(jì)比美國(guó)的“克萊門(mén)汀”(Clementine)空間探測(cè)器精度高許多,能繪制包括兩極地區(qū)在內(nèi)的精確月球全球地形圖,所獲得的數(shù)據(jù)用于研究月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

7.月球磁強(qiáng)計(jì)(LMAG)

月球磁強(qiáng)計(jì)用于測(cè)量只有地磁場(chǎng) 1/100 000的弱月球磁場(chǎng),分辨率為 16 bit,精度為 0.5 nT,采樣間隔為 1/32 s。它的傳感器裝在航天器伸出的超輕型桅桿頭上 12m處,以避免磁干擾。利用月球磁強(qiáng)計(jì)可以對(duì)目前和遠(yuǎn)古時(shí)期 (30億～40億年前)月球周?chē)拇艌?chǎng)及其演變進(jìn)行研究。

8.等離子體成像器(UPI)

它從月球軌道觀測(cè)地球上大氣層等離子體層,觀測(cè)范圍從 X射線和紫外線到可見(jiàn)光。該儀器利用一臺(tái)極紫外望遠(yuǎn)鏡 (TEX)觀測(cè)等離子體層,用一臺(tái)可見(jiàn)光望遠(yuǎn)鏡(TV IS)觀測(cè)極光和輝光的全球分布。

9.等離子體分析儀(PACE)

它由電子光譜分析儀 S1和 S2(ESA-S1,ESAS2)、離子質(zhì)量分析儀 ( IMA)和離子能量分析儀(IEA)四種傳感器組成,用于測(cè)量帶電粒子的能量和組成,對(duì)目前和遠(yuǎn)古時(shí)期月球周?chē)牡入x子體環(huán)境及其演變進(jìn)行研究。

10.帶電粒子光譜儀(CPS)

它由α射線探測(cè)器 (ARD)和 PS儀器組成,用于測(cè)量高能粒子。其中α射線探測(cè)器探測(cè)月面上Rn和 Po發(fā)射的α射線,獲取過(guò)去 50年殼體運(yùn)動(dòng)的信息;PS觀測(cè)月球周?chē)奶?yáng)和銀河宇宙射線,獲得月球周?chē)幕居钪嫔渚€數(shù)據(jù)。

11.干涉測(cè)量子衛(wèi)星上的 VLBI

干涉測(cè)量子衛(wèi)星上的甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量?jī)x用于測(cè)量離月面較近處的重力場(chǎng),研究月球重力場(chǎng)分布,這在世界上還尚屬首次。兩顆子衛(wèi)星發(fā)出的射電波被日本國(guó)家天文臺(tái)的“維拉”(VERA)射電望遠(yuǎn)鏡和其他射電望遠(yuǎn)鏡接收。

12.射電科學(xué)裝置(RS)

由于缺乏數(shù)據(jù),目前對(duì)于月球上是否存在電離層仍有爭(zhēng)議,干涉測(cè)量子衛(wèi)星上的射電科學(xué)裝置將通過(guò)測(cè)量射電波通過(guò)電離層時(shí)頻率的變化對(duì)月球電離層進(jìn)行探測(cè)。前蘇聯(lián)的月球 19號(hào)和 22號(hào)任務(wù)曾獲得了電子密度分布型,而日本的射電科學(xué)裝置將揭示這一電子層是如何形成的。

13.中繼子衛(wèi)星上的 VLBI

中繼子衛(wèi)星甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量?jī)x用于測(cè)量月面較遠(yuǎn)處的重力場(chǎng)。臼田發(fā)出的上行射電波通過(guò)中繼子衛(wèi)星中繼到主衛(wèi)星,再通過(guò)中繼子衛(wèi)星返回臼田,最終在臼田測(cè)量出多普勒頻率,利用中繼子衛(wèi)星 4程觀測(cè)可以改善月面高度誤差。

此外,還裝載了用于研究月球表面結(jié)構(gòu)的地形照相機(jī)、用于拍攝月球表面和地球從月球表面升起的景象的高清電視攝像機(jī)、用于轉(zhuǎn)發(fā)地面站和主衛(wèi)星以及干涉測(cè)量子衛(wèi)星之間的通信信號(hào)的通信轉(zhuǎn)發(fā)器。在觀測(cè)月球表面這個(gè)任務(wù)上,“月球女神”探測(cè)器比“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星多一臺(tái)設(shè)備——測(cè)地雷達(dá),它能“看”到月球表面以下幾千米。此外,“月球女神”探測(cè)器在探測(cè)月球環(huán)境方面的任務(wù)也比“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星多一些,它還要探測(cè)月球磁場(chǎng)、從月球表面溢出的氡等放射性元素發(fā)出的α粒子,以及備受科學(xué)家爭(zhēng)議的月球電離層等,但“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星攜帶多臺(tái)自主研究科學(xué)儀器,采用最新的技術(shù)探測(cè)月球相關(guān)參數(shù)是“月球女神”探測(cè)器所不具備的。

五、其他各國(guó)探月計(jì)劃

實(shí)力雄厚的歐空局 (ESA)于 2003年 9月 27日成功發(fā)射了 S MART-1探測(cè)器,它是 21世紀(jì)人類(lèi)發(fā)射的第一顆月球探測(cè)器,攜帶了實(shí)驗(yàn)性的深空通信系統(tǒng)及儀器荷載。它的主要科學(xué)目標(biāo)是得到月球地質(zhì)學(xué)、形態(tài)學(xué)、地形學(xué)、礦物學(xué)、地球化學(xué)以及外大氣環(huán)境數(shù)據(jù),解答有關(guān)行星形成過(guò)程、地-月系統(tǒng)起源、月球近/遠(yuǎn)面的二分性、長(zhǎng)期火山與構(gòu)造活動(dòng)、月球演化所涉及的熱和動(dòng)力過(guò)程以及水冰和表面外部作用等問(wèn)題。

在此探月浪潮中印度也不甘示弱,于 2008年發(fā)射了他們的首個(gè)月球探測(cè)器——月球初航 1號(hào),并攜帶一個(gè)重 30 kg的撞擊器一起升空,然后撞擊月球,激起月壤,以獲取礦物質(zhì)和水的科學(xué)數(shù)據(jù),并計(jì)劃于 2020年實(shí)現(xiàn)載人登月。

六、結(jié)束語(yǔ)

探月工程是我國(guó)深空探測(cè)的起步,我們應(yīng)該優(yōu)先采用成熟技術(shù),并在加強(qiáng)國(guó)際合作的同時(shí),逐步拓寬自主開(kāi)發(fā)的能力。此外,月球科學(xué)研究和月球相關(guān)工程的順利實(shí)施需要建立月球空間信息共享平臺(tái),借此整合我國(guó)科學(xué)資源,進(jìn)而推動(dòng)我國(guó)探月工程進(jìn)展和月球科學(xué)的研究與發(fā)展。對(duì)測(cè)繪工作者來(lái)說(shuō),這將充滿了機(jī)遇與挑戰(zhàn),不能再用孤立的眼光來(lái)研究月球測(cè)繪技術(shù),必須將航天、大地測(cè)量、天體物理和地質(zhì)學(xué)等學(xué)科融合起來(lái),將其當(dāng)成系統(tǒng)科學(xué)來(lái)研究,力爭(zhēng)為推動(dòng)我國(guó)月球和深空探測(cè)技術(shù)作出自己的貢獻(xiàn)。

[1]陳俊勇,寧津生,章傳銀,等.在嫦娥一號(hào)探月工程中求定月球重力場(chǎng) [J].地球物理學(xué)報(bào),2005,48(2):275-281.

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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,湖北荊州人,博士生,主要從事對(duì)月球重力場(chǎng)的研究。