月亮女神探月計(jì)劃的有效載荷與科學(xué)探測(cè)綜述

鄭永春 鄒永廖 付曉輝,2

(1 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái),北京 100012)

(2 中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京 100049)

1 引言

月亮女神探測(cè)器于2007年9月14日利用H-IIA火箭成功發(fā)射,2009年6月11日受控撞擊月球表面。該計(jì)劃包括1顆主探測(cè)器和2顆子探測(cè)器,共配置了15臺(tái)(套)有效載荷,開(kāi)展對(duì)月球的綜合性、全球性的普查探測(cè),任務(wù)基本情況參見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。該計(jì)劃圍繞月球形貌、表面物質(zhì)組成、磁場(chǎng)、重力場(chǎng)等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題,凝練、提出科學(xué)目標(biāo)并配置有效載荷,有效載荷研制在方案設(shè)計(jì)、元器件選型等方面均有所創(chuàng)新,有效載荷的功耗、質(zhì)量、探測(cè)精度等技術(shù)指標(biāo)較為先進(jìn)。文章對(duì)有效載荷的基本原理、主要技術(shù)指標(biāo)等進(jìn)行了綜述,分析了科學(xué)探測(cè)任務(wù)的執(zhí)行情況,提出對(duì)我國(guó)月球與深空探測(cè)科學(xué)目標(biāo)和載荷配置方面的一些建議。

2 科學(xué)目標(biāo)與載荷配置

月亮女神探月計(jì)劃的主要科學(xué)目標(biāo)是[2]:

(1)探索月球和地球的起源,研究月球的形成和演化過(guò)程。與地球相比,月球上具備穩(wěn)定的地質(zhì)條件,31億年以來(lái)沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)劇烈的地質(zhì)活動(dòng)。因此,通過(guò)對(duì)月球的探測(cè)和研究,不僅有助于理解地球和月球的起源,還有助于揭開(kāi)太陽(yáng)系早期的秘密。

(2)觀測(cè)月球的空間環(huán)境。地球上有大氣層,而月球上沒(méi)有大氣,因此太陽(yáng)輻射直接照射到月球表面。探測(cè)器繞月飛行期間,將探測(cè)太陽(yáng)對(duì)月球表面的影響,探測(cè)結(jié)果可為未來(lái)建立月球基地提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(3)利用月球觀測(cè)外太空。月球所在的外太空比地球更有利于進(jìn)行宇宙探測(cè),那里沒(méi)有人為的無(wú)線電波等干擾,因此從某種意義而言,無(wú)論是對(duì)地球的觀測(cè)還是對(duì)廣袤宇宙的探測(cè),月球的觀測(cè)條件均比在地球上好。

為實(shí)現(xiàn)預(yù)定科學(xué)目標(biāo),探測(cè)器共搭載15臺(tái)(套)有效載荷,完成的科學(xué)探測(cè)任務(wù)見(jiàn)表1[2]。

表1 科學(xué)目標(biāo)與載荷配置Table1 Science goals and instruments of SELENE mission

3 有效載荷的探測(cè)原理、科學(xué)任務(wù)與主要技術(shù)指標(biāo)

3.1 光學(xué)載荷系統(tǒng)

包括3臺(tái)高性能的光學(xué)載荷(見(jiàn)圖1,其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2):地形測(cè)繪相機(jī)(TC)[3]、多波段成像儀(M I)、連續(xù)光譜測(cè)量?jī)x(SP)。光學(xué)載荷系統(tǒng)首次獲取了全月球立體影像和地形數(shù)據(jù);利用已有探月成果和新獲取的多波段影像數(shù)據(jù)的融合分析,進(jìn)行高空間分辨率的精確地質(zhì)單元?jiǎng)澐?對(duì)具有中央峰構(gòu)造的撞擊坑,可以獲得撞擊坑中的巖石和礦物類(lèi)型的分布信息,研究月球內(nèi)部物質(zhì)組成;通過(guò)對(duì)月球表面連續(xù)光譜的分析,識(shí)別出月表的礦物組成。

圖1 地形測(cè)繪相機(jī)、多波段成像儀和連續(xù)光譜測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Flight model of the three optical instruments:terrain camera(TC),multiband imager(MI),spect ral profiler(SP),aboard KAGUYA(JAXA)

表2 光學(xué)載荷系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)[4]Table2 Some performances of three optical instruments aboard KAGUYA

地形測(cè)繪相機(jī)和多波段成像儀都以推掃成像方式連續(xù)觀測(cè)月球表面。對(duì)于立體成像觀測(cè),地形測(cè)繪相機(jī)有2個(gè)一維探測(cè)鏡頭,分別對(duì)前視和后視成像(見(jiàn)圖2)。多波段成像儀對(duì)星下點(diǎn)進(jìn)行一維成像觀測(cè),通過(guò)濾光片獲取9 波段的月表影像(見(jiàn)圖3)[5]。連續(xù)光譜測(cè)量?jī)x是安裝于主探測(cè)器下方的分光光度計(jì),獲得月球表面的連續(xù)光譜數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖4)。

3.2 X射線譜儀

X 射線譜儀(XRS)主要用于探測(cè)月表元素受太陽(yáng)X 射線或宇宙射線激發(fā)產(chǎn)生的X 射線熒光。通過(guò)測(cè)量太陽(yáng)光照射下月球表面激發(fā)的X 射線,同時(shí)監(jiān)測(cè)入射的太陽(yáng)X 射線,就可以確定月球表面元素的含量和分布,為月球科學(xué)研究、資源開(kāi)發(fā)與利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與依據(jù)。其主要科學(xué)目標(biāo)是:獲取高分辨率的全月表主量元素組成(M g、Al、Si、Ca、Ti、Fe等);識(shí)別月球典型地質(zhì)單元的巖石類(lèi)型,建立不同地區(qū)巖石類(lèi)型的分布模式;獲取月殼的物質(zhì)成分信息,研究月球的起源和演化。除了月球兩極外,XRS可以覆蓋90%的月球表面,元素分布圖的空間分辨率小于20 km,其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3[6]。

XRS 包括月球X 射線熒光探測(cè)器(XRF-A)、太陽(yáng)X 射線監(jiān)視器(SOL-B)、X 射線熒光定標(biāo)器(SOLC),XRS 結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5[7-8],其中:XRF-A安裝16 片CCD,以達(dá)到高能量分辨率、大面積探測(cè)的目的;SOLB 和SOL-C 采用標(biāo)準(zhǔn)樣品標(biāo)定XRS,并同時(shí)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)X 射線,達(dá)到對(duì)月球表面元素的定量分析。

3.3 伽馬射線譜儀

在銀河宇宙射線的照射下,月球次表層激發(fā)產(chǎn)生中子,中子與月球表面元素發(fā)生相互作用產(chǎn)生伽馬射線,不同目標(biāo)元素產(chǎn)生的伽馬射線具有不同能量特征。月球上的天然放射性同位素在衰變過(guò)程中也釋放伽馬射線。伽馬射線譜儀(Gamma-ray S pectrometer,GRS)通過(guò)在月球軌道處測(cè)量伽馬射線能量,可定量確定月球表面的元素類(lèi)型和含量。

圖2 地形測(cè)繪相機(jī)探測(cè)原理示意圖Fig.2 Observation of the SELENE terrain camera(TC)(JAXA)

圖3 多波段成像儀探測(cè)原理示意圖Fig.3 Observation of the SELENE multiband imager(MI)(JAXA)

表3 XRS主要技術(shù)指標(biāo)Table3 Specifications of XRS

G RS(見(jiàn)圖6)采用斯特林制冷機(jī)將高純鍺半導(dǎo)體晶體冷卻至-180℃作為主探測(cè)器,其能量分辨率比以往月球探測(cè)器上的G RS 要高20倍以上(見(jiàn)表4[9-10])。因此G RS可以高精度分辨入射伽馬射線的能量,定量分析月球表面K、U、Th、O、M g、Al、Si、Ti、Fe、Ca、H 等10 種以上元素的分布,探測(cè)結(jié)果也將有助于月球資源的探索,尤其是通過(guò)氫元素的探測(cè)研究月球上的水。

圖5 XRS 結(jié)構(gòu)Fig.5 Schematic view of XRS

圖6 GRS 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic view of GRS (JAXA)

表4 GRS 主要技術(shù)指標(biāo)Table4 Specifications of GRS

3.4 測(cè)月雷達(dá)

測(cè)月雷達(dá)(LRS)發(fā)射頻率為5M Hz 的雷達(dá)脈沖穿透月球次表層,當(dāng)雷達(dá)波遇到月球次表層的不連續(xù)界面時(shí),將產(chǎn)生次表層的回波信號(hào),通過(guò)回波信號(hào)的解譯,可以獲取表層和次表層結(jié)構(gòu)信息,測(cè)月雷達(dá)測(cè)試和射電波測(cè)試設(shè)備見(jiàn)圖7[11-12]。

LRS 探測(cè)月球表層和次表層結(jié)構(gòu)的原理示意圖見(jiàn)圖8[11-12],LRS的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表5[13],科學(xué)任務(wù)包括:低頻雷達(dá)可以在數(shù)十千米范圍內(nèi)探測(cè)月球次表層結(jié)構(gòu),雷達(dá)波的穿透深度可達(dá)數(shù)千米,垂直深度分辨率優(yōu)于100m ;探測(cè)結(jié)果除用于研究月球次表層結(jié)構(gòu)特征與分布規(guī)律外,還可以用于研究月球表面的熱演化歷史;在不受任何地球上人為影響和太陽(yáng)輻射干擾的情況下,測(cè)月雷達(dá)還可以觀測(cè)探測(cè)器繞月軌道處的行星射電波和等離子體波。

3.5 激光高度計(jì)

激光高度計(jì)(LALT)[14-15](見(jiàn)圖9)發(fā)射激光脈沖至月球表面,并精確測(cè)量從月球表面反射信號(hào)的時(shí)間,根據(jù)發(fā)射信號(hào)和接收反射信號(hào)之間的時(shí)間延遲(T),可以計(jì)算探測(cè)器至月球表面星下點(diǎn)的距離(L),通過(guò)長(zhǎng)期飛行,可以獲得探測(cè)器軌跡下覆蓋全月球的測(cè)距數(shù)據(jù),LALT 主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表6。

圖7 測(cè)月雷達(dá)測(cè)試和射電波測(cè)試設(shè)備Fig.7 SELENE lunar radar sounder component test at radiow ave test facility(JAXA)

圖8 LRS 探測(cè)月球表層和次表層結(jié)構(gòu)的原理示意圖Fig.8 Principle of LRS to detect surface and subsurface structure of the M oon

表5 LRS主要技術(shù)指標(biāo)Table5 Specifications of LRS

圖9 LALT 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic view of LALT(JAXA)

表6 LALT 主要技術(shù)指標(biāo)Table6 Specifications of LALT

如果發(fā)射激光脈沖至收到反射信號(hào)經(jīng)歷的時(shí)間為0.666ms,則對(duì)應(yīng)于探測(cè)器至月球表面星下點(diǎn)的距離為100km。

利用LALT 的全月球測(cè)距數(shù)據(jù)可以開(kāi)展精確的全月球地形高程測(cè)繪,獲取月球基本參數(shù)(月球半徑等),精度高于美國(guó)1994年克萊門(mén)汀號(hào)探測(cè)器;獲取包括月球南北極在內(nèi)的、覆蓋全月球的地形圖;通過(guò)精確的月球重力場(chǎng)(含月球背面)、結(jié)合高精度的地形數(shù)據(jù),研究月球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

3.6 月球磁強(qiáng)計(jì)

月球現(xiàn)在已經(jīng)沒(méi)有全球性的偶極磁場(chǎng),但其在地質(zhì)演化歷史中曾經(jīng)具有全球性磁場(chǎng)(古磁場(chǎng))。如今月球上的很多地區(qū)存在古磁場(chǎng)導(dǎo)致的剩余磁場(chǎng)異常,這些地區(qū)的巖石剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度明顯高于其它地區(qū)。通過(guò)對(duì)月球磁場(chǎng)的高精度測(cè)量,可以獲取大范圍的月球磁場(chǎng)強(qiáng)度分布,研究現(xiàn)在月球剩余磁場(chǎng)異常和古磁場(chǎng)的形成機(jī)制[16]。

月球磁強(qiáng)計(jì)(LMAG)的檢測(cè)限為地球磁場(chǎng)強(qiáng)度的1/100 000,探頭通過(guò)一根超輕的12m 長(zhǎng)的超輕桿伸到主探測(cè)器外側(cè),以避免主探測(cè)器對(duì)磁場(chǎng)測(cè)量的干擾(見(jiàn)圖10),LMAG 主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表7[17]。

圖10 LMAG 的超輕桿伸展試驗(yàn)Fig.10 Extension test of the mast of LMAG(JAXA)

表7 LMAG主要技術(shù)指標(biāo)Table7 Specifications of LMAG

3.7 帶電粒子譜儀

帶電粒子譜儀(CPS)包括兩種有效載荷:阿爾法射線探測(cè)器(ARD)和粒子譜儀(PS)(見(jiàn)圖11),主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表8。其中,ARD 的主要任務(wù)是探測(cè)月球表面氡(Rn)、釙(Po)等元素衰變發(fā)出的阿爾法射線,研究阿爾法射線的時(shí)間變化,通過(guò)與其他月球探測(cè)器上的ARD 探測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較,研究月殼運(yùn)動(dòng);PS的主要任務(wù)是觀測(cè)月球附近的太陽(yáng)輻射和銀河宇宙射線。目的是獲得太陽(yáng)輻射和銀河宇宙線的基本觀測(cè)數(shù)據(jù),為空間宇宙射線預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),從而服務(wù)于載人登月任務(wù)。

圖11 ARD 和PS的照片F(xiàn)ig.11 Photo of the ARD assembly and the PS device(JAXA)

ARD 和PS 采用高能量分辨率的硅半導(dǎo)體晶體探測(cè)器,通過(guò)多層硅半導(dǎo)體晶體探測(cè)器上分別沉積的能量信息識(shí)別入射粒子,不僅可以測(cè)量入射粒子的能量,而且可以獲得入射粒子的成分信息。

表8 CPS 主要技術(shù)指標(biāo)Table8 Specifications of CPS

3.8 等離子體分析儀

太陽(yáng)風(fēng)和宇宙射線與月球表面物質(zhì)相互作用,濺射出二次離子。這些離子構(gòu)成了極為稀薄的月球大氣層的主要成分。通過(guò)測(cè)量月球表面的濺射離子,可以反演月球表面的物質(zhì)成分。等離子體分析儀(PACE)和月球磁強(qiáng)計(jì)(LM AG)相互配合,可以揭示月球等離子體活動(dòng)和月球磁異常相關(guān)性[18]。

PAC E是頂帽型靜電分析儀,入口有角掃描偏轉(zhuǎn)裝置,內(nèi)置環(huán)形極板。包括4個(gè)探測(cè)器,分別為2個(gè)電子能譜分析儀(ESA-S1、ESA-S2)、離子質(zhì)量分析儀(IM A)、離子能量分析儀(IEA)(見(jiàn)圖12)。2個(gè)電子能譜分析儀用于測(cè)量能量小于15keV/q 的低能電子的一維分布函數(shù),而IMA和IEA用于測(cè)量能量小于28keV/q 的低能離子的一維分布函數(shù),PAC E 主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表9。

圖12 PACE 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.12 Photo and structure of PACE sensors and their cross sections(JAXA)

表9 PACE主要技術(shù)指標(biāo)Table9 Specification of the PACE

3.9 無(wú)線電掩星觀測(cè)

由于探測(cè)數(shù)據(jù)的缺乏,月球上是否有電離層還存在肯定與否定兩種截然不同的觀點(diǎn)。通過(guò)開(kāi)展無(wú)線電掩星觀測(cè),觀測(cè)無(wú)線電波在可能的月球電離層中傳輸時(shí)的頻率變化,結(jié)合等離子體分析儀的探測(cè)結(jié)果,可望回答月球到底有無(wú)電離層這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

無(wú)線電掩星觀測(cè)的科學(xué)目標(biāo)主要由V 星完成[19]。V 星發(fā)出的無(wú)線電波穿過(guò)月球外緣,由臼田町(Usuda)深空地面站接收,開(kāi)展無(wú)線電掩星觀測(cè),進(jìn)一步揭示月球上空的電子層的形成機(jī)制[19]。

3.10 上層大氣和等離子體成像儀

利用上層大氣和等離子體成像儀(UPI),可以從月球軌道觀測(cè)地球(見(jiàn)圖13),UPI 主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表10。該載荷包括觀測(cè)地球等離子層的極紫外望遠(yuǎn)鏡(T EX)、觀測(cè)地球極光和大氣環(huán)流全球分布的可見(jiàn)光望遠(yuǎn)鏡(TVIS)。

TEX可以每隔10min 獲得環(huán)繞地球的等離子體的空間分布。通過(guò)探測(cè)氧離子和氦離子的共振散射輻射,推動(dòng)空間等離子體物理的研究。望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)分辨率為128×128 像素,相應(yīng)的空間分辨率為500km。

圖13 T EX 和TVIS的視場(chǎng)Fig.13 UPI observes the Earth from an orbit around the Moon(JAXA)

TVIS 采用快速反射式光學(xué)系統(tǒng)和高靈敏CCD對(duì)地球上的極光和大氣環(huán)流成像。利用地球上的極光照片,可以定量比較共軛極光的強(qiáng)度和形態(tài)。而利用地球上的大氣環(huán)流影像,可以清晰認(rèn)識(shí)大尺度電離層擾動(dòng)的全球傳播。TVIS的視場(chǎng)等于從月球看地球平面的大小,對(duì)應(yīng)的地球表面的空間分辨率為30km,通過(guò)選擇濾波器可以對(duì)地球進(jìn)行不同波段的觀測(cè)。

表10 UPI 主要技術(shù)指標(biāo)Table10 Specifications of UPI

TEX 和TVIS 安裝在特殊的兩軸常平座上,主動(dòng)軸和傳動(dòng)軸分別正好抵消衛(wèi)星和月球的移動(dòng),使望遠(yuǎn)鏡可以始終對(duì)準(zhǔn)地球。只有當(dāng)主探測(cè)器位于月球的陰影中,且可以看到地球時(shí),UPI 才開(kāi)展對(duì)地觀測(cè)。

3.11 空間四路多普勒測(cè)量

通過(guò)對(duì)繞月探測(cè)器軌道擾動(dòng)的精確測(cè)量,可以獲得月球的重力場(chǎng)分布,進(jìn)而研究月球內(nèi)部高密度物質(zhì)(質(zhì)量瘤)的分布。S ELENE 計(jì)劃利用R 星和主探測(cè)器,開(kāi)展空間四路多普勒測(cè)量,可以獲得月球背面重力場(chǎng)的探測(cè)結(jié)果。通過(guò)跟蹤V 星上的射電源,進(jìn)行差分V LBI 觀測(cè),可以精密測(cè)定V 星的軌道,提高月球重力場(chǎng)的反演精度[20]。

利用中繼星開(kāi)展月球背面的多普勒測(cè)量尚屬首次。在軌運(yùn)行期間,利用V 星可以獨(dú)立獲得低階月球重力場(chǎng),再通過(guò)R 星、V 星和主探測(cè)器上的異頻雷達(dá)收發(fā)機(jī)之間的空間四路多普勒測(cè)量,可以把月球重力場(chǎng)系數(shù)的精度提高到30 階。

工程實(shí)施上,由臼田町地面站上行的無(wú)線電信號(hào)通過(guò)R 星轉(zhuǎn)發(fā)給主探測(cè)器,回波同樣通過(guò)R 星傳給地面站,測(cè)量回波的多普勒頻率(見(jiàn)圖14[21])。

3.12 高清電視攝像機(jī)

高清電視攝像機(jī)(HDTV)是1臺(tái)采用3 片220萬(wàn)像素CCD 的攝像機(jī),安裝在主探測(cè)器一側(cè),主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表11。該儀器用于拍攝地球從月球地平線上升起的電視畫(huà)面,并通過(guò)斜視研究復(fù)雜撞擊坑的結(jié)構(gòu),對(duì)公眾科學(xué)普及具有重要作用。HDTV拍攝的畫(huà)面通過(guò)壓縮、存儲(chǔ)后傳輸?shù)降孛?見(jiàn)圖15),1min 的月球電視畫(huà)面?zhèn)鬏數(shù)降孛嫘枰?0min。

圖14 月亮女神探月計(jì)劃的多普勒測(cè)量:主探測(cè)器經(jīng)R 星的4 路多普勒測(cè)量;R 星和V 星的2 路多普勒測(cè)量Fig.14 Doppler measurements in SELENE:4-way Doppler for main satellite via Rstar,2-way Doppler for Rstar and Vstar

圖15 高清電視攝像機(jī)的數(shù)據(jù)處理和傳輸過(guò)程Fig.15 Data process and transmission of HDTV

表11 HDTV 主要技術(shù)指標(biāo)Table11 Specifications of HDTV

4 科學(xué)探測(cè)任務(wù)的執(zhí)行情況

截至2008年12月底,月亮女神探月計(jì)劃的15臺(tái)(套)科學(xué)儀器在軌探測(cè)情況見(jiàn)表12。其中:

X 射線譜儀、伽馬射線譜儀用于獲取月球表面元素含量分布。多波段成像儀和連續(xù)光譜測(cè)量?jī)x用于探測(cè)月球表面礦物組成。這4臺(tái)儀器主要用于探測(cè)月球表面的物質(zhì)組成。由于在軌運(yùn)行期間太陽(yáng)活動(dòng)水平低,依賴太陽(yáng)活動(dòng)激發(fā)X 射線熒光的X 射線譜儀沒(méi)有獲得好的探測(cè)成果。伽馬射線譜儀由于發(fā)生故障,導(dǎo)致長(zhǎng)達(dá)4個(gè)多月沒(méi)能正常工作,探測(cè)效果大打折扣。但用于測(cè)量月球礦物組成的兩臺(tái)光譜儀工作正常,獲得了有價(jià)值的探測(cè)數(shù)據(jù)。

地形測(cè)繪相機(jī)、激光高度計(jì)已經(jīng)獲得月球的精細(xì)形貌探測(cè)數(shù)據(jù),特別是對(duì)以前探測(cè)程度較低的南北極區(qū)的探測(cè)效果較好。測(cè)月雷達(dá)可以探測(cè)月球次表層結(jié)構(gòu),有望為月球構(gòu)造劃分提供重要信息,但其電子器件在任務(wù)期間發(fā)生了故障。

磁強(qiáng)計(jì)和等離子體分析儀利用月球的獨(dú)特空間位置對(duì)地球的等離子層成像;開(kāi)展對(duì)地監(jiān)視的上層大氣和等離子體成像儀也都基本工作正常。

通過(guò)3顆探測(cè)器的相互配合和精密測(cè)軌,該計(jì)劃獲得了迄今最為精細(xì)的重力場(chǎng)分布數(shù)據(jù),為研究月球內(nèi)部的質(zhì)量分布不均衡提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表12 有效載荷在軌探測(cè)基本情況Table12 Exploration results of instruments onboard Kaguya of SELENE lunar mission

5 分析與討論

月亮女神探月計(jì)劃包括主探測(cè)器、V 星和R 星3顆探測(cè)器,配置15臺(tái)(套)有效載荷。通過(guò)簡(jiǎn)要闡述有效載荷的基本探測(cè)原理、主要技術(shù)指標(biāo)及其科學(xué)任務(wù),總結(jié)了月亮女神在軌運(yùn)行期間完成的主要科學(xué)探測(cè)活動(dòng),希望對(duì)我國(guó)月球與深空探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)和載荷配置有所啟示和借鑒:

(1)月球與深空探測(cè)歸根到底還是科學(xué)探測(cè),應(yīng)以科學(xué)需求為牽引,進(jìn)行任務(wù)整體設(shè)計(jì)和有效載荷配置,以科學(xué)成果產(chǎn)出和技術(shù)能力提升作為判斷成功與否的標(biāo)志。SELENE 計(jì)劃圍繞月球關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題提出科學(xué)目標(biāo)并配置有效載荷,有效載荷研制在方案設(shè)計(jì)、元器件選型等方面多有創(chuàng)新,保證了科學(xué)成果產(chǎn)出的數(shù)量和質(zhì)量。

(2)SELENE 計(jì)劃有效載荷的功耗、質(zhì)量、探測(cè)精度等技術(shù)指標(biāo)較為先進(jìn)。在我國(guó)今后的月球與深空探測(cè)任務(wù)中,應(yīng)大力提高有效載荷的研制水平,特別是核心元器件的國(guó)產(chǎn)化,應(yīng)在有效載荷的輕量化、小型化、設(shè)計(jì)集成化、功能多樣化設(shè)計(jì)等方面加大攻關(guān)力度。

(3)由于有效載荷創(chuàng)新性設(shè)計(jì)和研制質(zhì)量是決定我國(guó)月球與深空探測(cè)科學(xué)成果產(chǎn)出的關(guān)鍵,也是制約我國(guó)深空探測(cè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一,為此建議在深空探測(cè)工程立項(xiàng)前的預(yù)研階段,前瞻支持一些具有深空探測(cè)應(yīng)用前景的有效載荷開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),奠定技術(shù)基礎(chǔ),這樣才能在工程立項(xiàng)實(shí)施后的較短時(shí)間內(nèi)高質(zhì)量地完成研制任務(wù)。

(4)無(wú)線電掩星觀測(cè)是國(guó)際上絕大多數(shù)月球與行星軌道器探測(cè)計(jì)劃都會(huì)開(kāi)展的科學(xué)探測(cè)活動(dòng)。軌道器發(fā)送的無(wú)線電波在穿越月球或行星的大氣層和電離層時(shí)發(fā)生信號(hào)改變,根據(jù)信號(hào)變化可以研究大氣層和電離層的相關(guān)參數(shù)。這類(lèi)科學(xué)探測(cè)活動(dòng)基本不增加星上設(shè)備,只需星地配合即可獲得科學(xué)回報(bào)。建議我國(guó)探月工程和深空探測(cè)應(yīng)大力支持和鼓勵(lì)開(kāi)展這類(lèi)低成本、低風(fēng)險(xiǎn)的科學(xué)探測(cè)活動(dòng)。

(5)利用月球與深空探測(cè)計(jì)劃研制和運(yùn)行中的各種時(shí)機(jī),及時(shí)發(fā)布重要進(jìn)展和成果;通過(guò)組織國(guó)際、國(guó)內(nèi)的科學(xué)數(shù)據(jù)應(yīng)用研究,吸引全國(guó)乃至全球科學(xué)家的關(guān)注和參與;通過(guò)開(kāi)展內(nèi)容豐富、形式多樣的科普活動(dòng),吸引公眾特別是青少年的興趣。這些活動(dòng)可以顯著提高月球和深空探測(cè)的科學(xué)價(jià)值和社會(huì)影響,爭(zhēng)取政府部門(mén)和公眾對(duì)空間探索活動(dòng)的支持,在普及科學(xué)知識(shí),提高公眾科學(xué)素養(yǎng)的同時(shí),又能激發(fā)全社會(huì)的探索和創(chuàng)新激情,為建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家貢獻(xiàn)力量。

References)

[1]鄭永春,鄒永廖,付曉輝.月亮女神探月計(jì)劃及對(duì)我國(guó)月球與深空探測(cè)的思考[J].航天器工程,2011,20(2):57-71

[2]Kato M,Sasaki S,Tanaka K,et al.The Japanese lunar mission SELENE:Science goals and present status.Advances in Space Research [J].2008,42:294-300

[3]Haruyama J,Ohtake M,Matsunaga T,et al.Kaguya(SELENE)/terrain camera initial results and perspectives[C]//Houston:39th Lunar and Planetary Science Conference.2008,39:1308

[4]Haruyama J,Matsunaga T,Ohtake M,et al.Global lunar-surface mapping experiment using the lunar imager/spectrometer on SELENE [J].Earth,Planets and Space.2008,60:243-255

[5]Ohtake M ,Haruyama J,Matsunaga T,et al.Performance and scientific objectives of the SELENE(KAGUYA)multiband imager [J].Earth,Planets,and Space.2008,60:257-264

[6]Okada T,Shirai K,Yamamoto Y,et al.X-ray fluorescence experiments on the SELENE(Kaguya)spacecraft[C]//H ouston:39th Lunar and Planetary Science Conference.2008,39:1960

[7]Okada T,Shiraishi H ,Shirai K,et al.X-Ray fluorescence spectrometer (XRS)on Kaguya:Current status and results [C]//Houston:40th Lunar and Planetary Science Conference.2009,40:1897

[8]Shirai K,Okada T,Yamamoto Y,et al.Instrumentation and performance evaluation of the XRS on SELENE orbiter[J].Earth,Planets and Space.2008,(60):277-281

[9]Reedy R C,Hasebe N,Yamashita N,et al.Gamma rays in spectra measured by the Kaguya gamma-ray spect rometer[C]//Houston:40th Lunar and Planetary Science Conference.2009,40:1788

[10]Kobayashi M,Hasebe N,Shibamura E,et al.Status and performance of the gamma-ray spectrometer on the Kaguya (SELENE)[C]//Houston:40th Lunar and Planetary Science Conference.2009,40:1735

[11]Ono T,Kumamoto A,Nakagaw a H,et al.Lunar radar sounder observations of subsurface layers under the nearside maria of the Moon [J].Science.2009,323(5916):909-912

[12]Ono T,Oya H.Lunar radar sounder(LRS)experiment on-board the SELENE spacecraft [J].Earth,Planets and Space.2000,52:629-637

[13]Ono T,Oya H.Instrument and observation target of the lunar radar sounder(LRS)experiment on-board the SELENE spacecraft[J].Earth,Planets and Space 2008,60(4):321-332

[14]Araki H ,Ooe M,Tsubokawa T,et al.Lunar laser altimetry in the SELENE project[J].Advances in Space Research.1999,23(11):1813-1816

[15]Araki H,Tazaw a S,Sasaki S,et al.Lunar global topography by laser altimeter (LALT)on board SELENE[C]//Berlin:European Planetary Science Congress 2006.2006,199

[16]Tsunakawa H,Shibuya H ,Takahashi F,et al.Lunar magnetic field observation and initial global mapping of lunar magnetic anomalies by MAP-LMAG onboard SELENE (Kaguya)[J].Space Science Review s.2010,(154):219-251

[17]Takahashi F,Shimizu H,Matsushima M,et al.In-orbit calibration of the lunar magnetometer onboard SELENE(KAGUYA)[J].Earth,Planets and Space.2009,(61):1269-1274

[18]Saito Y,Yokota S,Tanaka T,et al.Lunar plasma measurement by MAP-PACE onboard KAGUYA(SELENE)[C]//San Francisco:American Geophysical Union Fall Meeting,2008

[19]Imamura T,Iwata T,Yamamoto Z,et al.Studying the lunar ionosphere with SELENE radio science experiment[C]//San Francisco:American Geophysical Union Fall Meeting 2008

[20]Hanada H,Iwata T,Namiki N,et al.VLBI for better gravimetry in SELENE [J].Advances in Space Research,2008,42:341-346

[21]Namiki N,Iwata T,Matsumoto K,et al.Farside gravity field of the moon f rom four-w ay Doppler measurements of SELENE(Kaguya)[J].Science.2009,323(5916):900-905