世界月球探測的發展回顧與展望

盧 波

月球是地球的天然衛星，也是距離地球最近的天體，是人類開展深空探測的首選目標。從世界航天技術發展進程看，人類正是通過對月球的各種探測活動開辟了航天活動的新疆域，掌握了地外天體的環繞、著陸及巡視、采樣返回等太陽系天體探測技術，進而為邁向月球以遠其他天體奠定堅實的技術基礎。

1 引言

月球探測是人類進行太陽系探索的開端，大大提升了人類對月球、地月空間和太陽系的認識；推動了航天技術的進步，帶動了一系列基礎科學的創新，促進了眾多應用科學的新發展；建立和完善了航天工程技術體系，帶動和促進了一系列基礎工業技術的快速發展；提升了公眾對太空探索和空間科學的認知，產生了顯著的技術、經濟和社會效益。

截至2018年底，全世界共實施了116次無人月球探測任務，實現了月球飛越、環繞、著陸、巡視和采樣返回探測。第一次探月高潮始于1958年，止于1976年，以美、蘇兩國空間競賽為標志，重在展示國家實力，開啟了人類深空探索的序幕，實現了月球飛越、撞擊、環繞、軟著陸、表面巡視、無人采樣返回和載人登月，其中俄羅斯完成了3次無人月球采樣返回，美國實現6次載人登月，獲取了前所未有的科學探測成果，促進了大量新興學科的誕生，一大批科學技術成果廣泛應用于經濟建設。

月球探測的再度興起是在20世紀90年代以后，主要航天國家紛紛啟動并實施了月球探測活動，截至2018年12月共進行了16次發射（美國6次，中國6次，日本2次，歐洲1次，印度1次）。新一輪月球探測更注重科學驅動和新技術的應用，旨在獲得新的科學成果，探測器技術更先進、功能更全、壽命更長。90年代以來的月球探測活動呈現出科學目標明確、參與國家眾多、規劃長遠、成功率高的特征。

全球無人月球探測任務分類統計

2 世界月球探測發展回顧

月球探測幾乎和人造地球衛星的發展同時起步。第一代月球探測器的目的很簡單：獲得足夠高的速度、足夠的定向精度，使航天器盡可能地靠近月球，甚至降落在月球表面，以便探測月球及其鄰近區域，拍攝月球表面圖像，并把探測數據和圖像發回地球。第二代月球探測器以蘇聯的月球－10（Luna－10）軌道器、美國的“月球軌道器”、蘇聯的月球－9著陸器、美國的“勘測者”（Surveyor）著陸器為代表，這些探測器進入月球環繞軌道探測月球、在月球表面軟著陸并勘測月球表面地質地貌。第三代月球探測器為月球采樣返回任務，目前只有蘇聯的月球－16、20和24成功實現了無人月球采樣返回，共帶回月壤樣品330g。

月球探測的基本條件是大推力的運載工具、精密的制導導航與控制和遠距離通信技術，這些正是航天技術長遠發展需要解決的問題，月球探測成為試驗這些技術的最好手段和機會，而當時正是美蘇“空間競賽”的初期，美國和蘇聯都對月球探測表現出了極大的熱情。蘇聯和美國早期發展的月球環繞和著陸探測，主要目的是獲取月球地質地貌數據，試驗軟著陸技術，考察月表的硬度、溫度、地形地貌等環境條件，探測月表的元素成分含量及其分布，為載人登月選定著陸位置，并做好技術準備。

20世紀50年代末到70年代中期是月球探測的第一個高潮期，這期間的月球探測以蘇聯與美國在太空領域的“空間競賽”為標志，為贏得競爭，這個時期美國和蘇聯均制定了載人登月計劃。蘇聯在1959－1976年期間共發射了64個月球探測器，取得月球探測的多項第一，主要型號為“月球”（Luna）系列及“探測器”（Zond）系列。蘇聯的“月球”系列項目取得了巨大的成功，它實現了人類月球探測歷史上的多個“第一”：第一個月球探測器（月球－1，1959年1月）；第一次月球硬著陸（月球－2，1959年9月）；拍攝第一張月球背面圖片（月球－3，1959年10月）；第一次月球軟著陸（月球－9，1966年2月）；第一個月球軌道器（月球－10，1966年4月）；第一次實現無人月球采樣返回（月球－16，1970年9月）；第一次月球車巡視勘察（月球－17，1970年11月）。

美國在1958－1973年期間共發射了36個月球探測器，主要型號為“先驅者”（Pioneer）、“徘徊者”（Ranger）、“勘測者”（Surveyor）和“月球軌道器”（Lunar Orbiter），目的是為阿波羅載人登月做前期探索和技術準備。這期間，美國投入大量的人力物力實施了“阿波羅”(Apollo)載人登月計劃，于1961年5月－1972年12月向月球發射了7艘“阿波羅”登月飛船，除了阿波羅－13因故障中途返回，其余6艘登月成功，成功將12名航天員送上月球，帶回月巖樣品380kg，創造了人類航天史的輝煌一頁。

20世紀70年代中期到80年代末期，美國和俄羅斯航天戰略重點轉為發展近地軌道載人航天和空間站，月球探測進入低潮沉寂期，全球約有14年的時間未發射月球探測器。特別是隨著蘇聯的解體，俄羅斯經濟發展疲弱，其月球探測活動也進入低潮，從1977年至今有40多年的時間，蘇聯/俄羅斯再未實施月球探測活動。

1989年7月20日，為紀念“阿波羅”飛船登月20周年，美國前總統喬治·布什提出了重返月球、在月球駐留并以此為基礎完成載人火星探測的構想。在此期間，美國、歐洲、日本紛紛組織力量開展研究，并相繼提出月球探測計劃。其中，日本于1990年成功發射其首個月球探測器“飛天”(HITEN)。隨后，美國分別于1994年1月和1998年1月發射了“克萊門汀”(Clementine)和“月球勘探者”(Lunar Prospector)探測器，進而發現月球上有水冰存在的跡象，極大地激發了世界各國開展月球探測的熱情，標志著新一輪月球探測活動的興起。從1994年至今，美國已實施了6次無人月球探測任務，獲得了多個重要科學成果，其2009年發射的“月球坑觀測與環境感知衛星”（LCROSS）通過撞擊月面南極凱布斯坑確認了月球極區水冰的存在，2011年發射的“圣杯”（GRAIL）通過雙星編隊繪制了迄今最精確的月球引力場圖，2013年發射的“月球大氣與塵埃環境探測器”（LADEE）驗證了地月激光高速傳輸技術。

進入21世紀，歐洲、日本、中國和印度也相繼開展了月球探測。歐洲航天局（ESA）于2003年發射其首個月球探測器智慧－1（Smart－1），首次將電推進技術應用到月球探測任務中，成功驗證了電推進技術可用于小型探測任務。日本于2007年發射其第二個月球探測器“月女神”（SENELE），獲得了全月球地形圖，并通過中繼子衛星和重力場子衛星的配合實現了月球背面引力場的測繪。從2007－2018年的十年間，中國成功實施了6次月球任務，其中包括2018年5月和12月分別發射的“鵲橋”通信中繼星和嫦娥四號著陸器，實現了月球環繞、月球軟著陸、月面巡視、月球飛掠返回再入、地月拉格朗日L2點環繞等多項技術突破。印度于2008年發射其首個月球探測器月船－1（Chandrayaan－1），實現了月球環繞和自旋撞擊器對月面的撞擊探測。

月球是人類探測次數最多、探測成果最為豐富的地外天體，將成為開展月球以遠空間探索的重要前哨。目前，包括新興航天國家在內的多個航天國家紛紛提出和制定了新的月球探測計劃。

3 月球探測的未來展望

月球探測總體發展趨勢

2018年2月，國際空間探索協調小組（ISECG）發布了第三版《全球探索路線圖》，該路線圖反映了人類對空間探索的興趣與日俱增，未來將通過多次往返地月空間、登陸月球、駐留月球及后續的其他探索任務，為將來的火星探索奠定技術基礎和做好準備。未來數十年，月球科學研究、資源勘探及開發利用將是世界主要航天國家的重點發展目標。

（1）無人月球探測與未來載人探索緊密結合，實現月球持續探索和利用

美國和俄羅斯等國均瞄準實現載人月球探測，未來將開展一系列無人月球探測任務，利用月球探測和環境開展核心技術驗證，為實現載人登陸火星的長遠目標奠定技術基礎。

2018年8月，美國國家航空航天局(NASA)公布了未來十年太空探索的新目標計劃。根據該計劃，NASA新研的“空間發射系統”（SLS）將在2019年底或2020年初執行首次不載人的探索任務－1（EM－1），進行26天的繞月和返回地球，而在2023年的探索任務－2中將發射載4人的“獵戶座”（Orion）飛船和太陽能電推進服務艙進入月球軌道，開始“深空門戶”（DSG）的建造；在后續的探索任務－3和4任務中，分別把深空居住艙和后勤貨艙送到月球軌道。NASA計劃于2026年完成“深空門戶”第一階段的建造，可支持航天員30天的在軌駐留和工作，并能支持在月面開展的機器人活動。

2018年9月，NASA發布了《國家太空探索活動報告》，規劃了從近地軌道到月球再到火星的載人探索路線圖。該報告提出了美國未來太空探索的5個戰略目標：①將“以政府投資為主導的近地軌道載人航天活動”轉向“以私營為主的商業載人航天活動”；②領導并開展月球表面活動，提升執行地月空間以遠任務的能力；③通過一系列機器人任務促進對月球資源的科學勘察和利用；④實現美國航天員重返月球，并進行持續探索和利用活動；⑤在月球上驗證載人火星和其他目的地任務所需的能力。

（2）月球資源勘探和開發利用是未來發展的熱點，從科學探索向勘探應用發展

20世紀90年代以來，主要航天國家在推進月球探測活動的同時，還開展了月球原位資源利用（ISRU）技術的研究。利用月球固有的礦產資源，滿足月球基地建設對基礎性原材料的需求，成為未來月球開發與利用的重要內容之一。月球探測的下一步仍是利用先進機器人技術、先進鉆巖技術、先進測量分析技術等對月球資源及其蘊藏量進行全面深入的勘察，為載人登月和建立月球基地獲取重要的數據資料。

目前，美國、歐洲、俄羅斯、印度、日本等均制定了月球著陸探測計劃，2019－2025年將實施多個月球著陸任務。預計未來數十年，各航天大國將在月球資源的勘探、開發利用和科學探索方面展開激烈競爭。

（3）未來無人月球探測任務重點聚焦月球背面、極地以及水資源和礦藏

月球探測將以月球資源、能源和特殊環境利用以及通過月球走向更遠深空為目標，并且利用月球特殊的環境條件開展天文觀測、空間科學研究和技術試驗驗證等。

月球－27著陸器和巡視器

從發展趨勢看，未來數年月球探測活動將主要針對以前探測較少的月球背面和月球極區展開深入的探測和研究。目前，只有美國、俄羅斯和中國實施了月球軟著陸任務。在NASA的未來空間探索規劃中已將“月球南極艾特肯盆地采樣返回”列為“新疆域”計劃的第4項任務的備選項目。俄羅斯提出的新探月計劃中，將探測重點瞄向月球南極，計劃向月球南極發射著陸器，以及實施月球采樣返回任務。歐洲積極發展月球極區著陸技術，計劃與俄羅斯合作實施月球－27極區著陸/巡視任務，勘探月球極區資源。日本正著力發展月球精確著陸技術和月球機器人技術，旨在開展月球資源環境勘察和利用。

（4）商業化月球探測活動將迅速成長

美國新任總統特朗普2017年12月簽發的1號航天政策令中，要求NASA“引入商業航天，開展國際合作，繼續引領創新和持續的太空探索計劃”。實際上， NASA早在2014年1月就發布了“月球貨物運輸與軟著陸”（CATALYST）倡議，向私營航天機構征求實施建議方案，目的是推進美國商業化探月能力建設，實現月球科學價值研究與潛在資源勘探，演示驗證載人深空探索技術，為載人探測火星奠定技術基礎。NASA在該倡議中指出，月球擁有巨大的科學研究價值與資源挖掘潛力，可用于支撐載人深空探索。

2014年5月，NASA宣布將通過與商業公司的合作實施月球著陸計劃，并選擇了3家美國公司進行月球著陸器的開發。這3家公司分別是美國月球快車公司（Moon Express）、宇宙機器人技術公司（Astrobotic Technology）和馬斯騰空間系統公司（Masten Space System）。基于合作協議，NASA將用3年的時間向這3家公司提供專項技術、試驗設施，以及出租測試設備和提供測試軟件，以幫助這些公司盡快完成月球著陸器的開發。

2015年11月，時任美國總統奧巴馬簽署通過了《美國商業航天發射競爭法案》（CSLCA），允許美國企業擁有、運輸、使用和出售從月球、小行星或其他宇宙天體獲取的資源，并鼓勵商業公司探索和利用星際資源。這無疑又為美國的商業公司開展月球等深空技術開發打了催化劑。2016年8月，美國月球快車公司獲得了美國聯邦航空管理局（FAA）頒發的向月球發射著陸器的許可證，這是美國政府首次批準私人公司向地球軌道以遠發射航天器。

月球快車公司的月球著陸器是一個具有靈活性的、可擴展的探測平臺，可支持進行月球勘探采礦、采樣返回、月球科學研究和商業探測活動，其首個MX-1E月球著陸器計劃在2019－2020年發射。美國宇宙機器人公司推出了“游隼”（Peregrine）月球著陸器，可向企業、政府、大學和科研機構等提供有效載荷空間進行月球探測和研究，計劃2020年進行首次發射。美國馬斯騰空間系統公司開發了XL－1月球著陸器，預計2021年發射。

“游隼”月球著陸器

美國NASA于2018年9月公布了“商業月球有效載荷服務”（CLPS）的最終招標文件，美國月球快車公司、宇宙機器人公司和馬斯騰空間系統公司均提交了投標方案。2018年11月，NASA宣布有9家公司獲得了CLPS競標資格，除了包括上述3家公司外，另6家公司是深空系統公司（Deep Space System）、德雷珀公司（Draper）、超越軌道公司（Orbit Beyond）、直覺機器公司（Intuitive Machines）、螢火蟲宇航公司（Firefly Aerospace）和洛馬公司(LM)。NASA表示，首批CLPS月球任務預計將在2020年發射。可以預見，在未來空間探測活動中，商業民營公司、非政府機構的空間探測活動將呈現活躍和快速發展的態勢。

主要航天國家未來月球任務規劃

各主要航天國家對于月球探測的未來目標都基本明確，即全面考察月球的礦物分布，發掘、開發和利用月球資源，建立深空探測前哨基地，以及利用月球有利的自然條件開展空間科學研究、天文觀測和技術驗證試驗。

（1）美國重啟登月計劃，為載人登陸火星和探測其他目標奠定基礎

2017年，新一任美國總統特朗普再次重新調整了美國的載人探索戰略，取消了奧巴馬時期的載人登陸小行星項目，強調美國未來要致力于維持在全球太空領域的領導地位，并宣布美國將重啟載人登月計劃，在21世紀結束前實現太陽系載人探索目標。美國和俄羅斯在2017年9月簽署了聯合聲明，將合作建造“深空門戶”月球軌道空間站，將其作為國際合作探索月球表面和更遠深空的門戶和前哨站。

2018年2月NASA發布《2018年戰略規劃》，描述了NASA未來空間探索發展的整體戰略。根據新版戰略規劃，NASA未來幾年實施的相關計劃包括“獵戶座”飛船系統、空間發射系統、載人研究、“深空門戶”月球軌道平臺、先進的地-月空間和月球表面能力、先進探索系統、月球發現和探索任務計劃、探索任務地面系統，等。按照新的戰略規劃，NASA未來將積極推進發展商業化的月球軟著陸能力，并通過該項舉措建立NASA與商業宇航工業界以及國際合作伙伴之間的橋梁。NASA表示，將從2019年開始采購商業月球有效載荷服務，實現月球表面端到端的有效載荷運送。

隨著立方星技術在地球軌道的快速發展，美國、歐洲等國家和組織計劃在月球軌道部署立方星式的月球探測器，旨在以低成本的方式開展月球背面、月球水冰、月球礦物等月球資源及月背環境勘察。美國NASA目前在研的“獵戶座”飛船，其首次探索任務－1將搭載13個立方星，其中包括NASA進行月球環境和資源探測的立方星，分別是“月球氫測繪儀”（LunaH-Map）、“月球冰立方”（Lunar IceCube）、“月球閃光”（Lunar Flashlight）和“月球紅外”（LunIR），它們將裝備當今先進技術的科學載荷對月球資源的豐度、成分和位置分布開展探測。這些立方星將通過不同的方式測繪月球南極區域土壤的氫含量，探測月球水冰分布及尋找其他礦物資源，以支持未來的載人月球任務。

“月球氫測繪儀”

“月球冰立方”

“月球閃光”

（2）歐洲將與俄羅斯合作實施月球極區著陸，并提出建造月球基地構想

在月球探測領域，歐洲和俄羅斯都強調國際合作，都表示出建造月球基地的想法。國際合作仍然是歐洲開展空間探測活動的主要方式之一。歐洲2016年提出了“國際月球村”的構想，倡議多國航天機構合作，認為月球基地將引發新一輪技術創新，包括就地取材，利用3D打印技術建造月球基地等技術。此外，歐洲未來的月球探索策略還包括利用立方星技術開展可負擔的月球資源及環境探測；發展商業化的月球探測支持能力（月球任務通信中繼等）；以及運用從近地軌道任務發展的載人設施（國際空間站和自動轉移飛行器等）和技術能力參與NASA牽頭的“深空門戶”計劃。2018年7月，ESA與NASA商討了未來載人月球探索中的合作意向。

目前，歐洲正在開發“領航者”（Pilot）月球著陸系統，并與俄羅斯達成了協議，雙方將在月球著陸項目上展開合作，將合作實施月球－27極區著陸/巡視任務，該任務將在月球南極艾特肯盆地著陸，歐洲將提供著陸系統以及一套樣品鉆取、采集、處理和分析的裝置。在發展深空探索立方星方面，ESA在2017年發布公告向科研機構、大學和工業界征集“可實現的探索月球立方星任務”方案。2018年3月，ESA公布了最終獲勝的兩個方案，一個是“月球微流星撞擊軌道器”（Lumio），將在月球背面上方繞行，探測月球夜間微流星撞擊閃光，獲取微流星撞擊月面的圖像數據；另一個是“月球揮發物和礦物學測繪軌道器”（VMMO），將觀測月球南極附近永久陰影區的火山口，搜尋水冰物質和沉積物，測量月球輻射等。ESA表示，兩個獲勝團隊的立方星月球任務未來有望搭載美國2019/2020年“獵戶座”飛船的探索任務－1或商業公司的月球任務進行發射。

（3）俄羅斯未來10年空間探測以月球為重點，計劃2050年前完成月球基地建造

俄羅斯于2016年正式出臺了新的10年規劃《2016－2025年聯邦航天發展規劃》，部署了未來10年俄羅斯航天活動的發展路徑和策略，該規劃明確了俄羅斯未來將重點開展機器人月球探測，并繼續開展“火星生物學”(ExoMars)國際合作火星項目。俄羅斯還提出了建設月球基地的長遠計劃，2017年10月，俄羅斯能源火箭航天集團宣布，計劃于2040－2050年建成月球基地。

俄羅斯在新10年規劃中提出了將實施“繞、落、回”月球探測任務，并計劃在2019－2025年期間發射4次月球任務，分別是2020/2021年的“月球-水珠”（Luna-Glob）著陸任務、2021/2022年的“月球-資源”（Luna-Resurs）環繞任務、2023年的“月球-資源”著陸任務、2024年后的“月球-土壤”（Luna-Grunt）采樣返回任務。但就目前俄羅斯經濟發展形勢和國際大環境判斷，規劃的“月球”系列探測器任務實施時間仍難確定。

（4）日本著力發展月球精確著陸技術，計劃參與國際月球任務

日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)原計劃2019年發射“小型月球探測著陸器”（SLIM），現推遲到2021年發射，目的是驗證月面精確著陸技術。日本未來將著力發展月球精確著陸技術和機器人探測技術，實施月球著陸任務，開展月球環境探測和月球資源勘察；積極開展國際合作，日本和印度已達成合作意向，未來將在月球極區探測、月球表面巡視和采樣返回任務方面展開合作；計劃參與NASA牽頭的“深空門戶”項目和國際載人月球任務；發展月球機器人技術，提出將打造用于建造和服務月球基地的各類月球表面機器人，開展月球資源勘探和利用活動。

在NASA的“獵戶座”飛船的探索任務－1中，日本也計劃搭載一顆由JAXA和東京大學聯合研制的立方星“小馬座”（EQUULEUS），它采用離子推進技術，任務目的是驗證采用納衛星飛往地月拉格朗日L2點的軌道控制技術。

（5）印度、韓國、巴西等國家也積極謀劃和推進月球探測活動

印度始終將深空探測作為國家科技發展和創新的重要途徑，計劃在2019年3月發射月船－2（Chandrayaan－2），這是印度的第二次月球探測，任務目標是實現月球環饒、著陸和巡視探測，其第二次探月任務將以本土化為主，印度未來還將根據技術進展情況實施月球采樣返回探測。

韓國在2013年公布了“2040太空計劃”，2018年2 月又通過了《第三次航天開發振興基本計劃》，將韓國探月活動由原“繞、落、回”三個階段調整為“繞”和“落”兩個階段，時間上也大幅延后。目前，韓國已啟動了月球探測工程的第一階段“繞”的研制工作，計劃在2020年采用美國SpaceX公司的運載火箭發射“韓國探路者月球軌道器”（KPLO），第二階段的“落”是在2030年前利用獨立研發的運載火箭發射月球著陸器。

巴西在2016年11月宣布，將于2020年12月向月球軌道發射納衛星，該項目名為“探尋生命”（Garatea－L），任務目標是搜集有關月球表面的基本數據，并進行有關微生物、分子和細胞等科學實驗。

在完成月球環繞、月面著陸/巡視和月背軟著陸等探測任務之后，中國將在2020年前實施嫦娥工程“繞、落、回”第三階段的月球采樣返回任務。

SLIM月球著陸器

4 結束語

總之，開展月球探測可為探索和開發人類在地球以遠的生存和駐留技術提供絕佳機會，實現月球科學價值研究與潛在資源勘探，演示驗證載人深空探索技術；在月球建立研究站和試驗基地，又可為探索火星和其他星球提供經驗和技術。