曾 坤,李建成

(武漢大學(xué) 測繪學(xué)院,湖北武漢 430079)

月球探測最新進(jìn)展

曾 坤,李建成

(武漢大學(xué) 測繪學(xué)院,湖北武漢 430079)

介紹當(dāng)今各國探月的最新進(jìn)展,研究中國的“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;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,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。人類未來通過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,有助于人類更好地了解月球、地球和太陽系起源和演化等問題。

二、美俄最新探月計(jì)劃

1976—1986年的 10多年間,月球探測處于低潮期。這期間世界各國均未發(fā)射月球探測器,只有美國一直沒有停止過建立月球基地的準(zhǔn)備工作,先后進(jìn)行過兩次“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)器人探測器,以便為未來的載人探測與研究做好準(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。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。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,并開始開發(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”探測計(jì)劃,發(fā)射探月衛(wèi)星,為未來的月球車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;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)探測基地的最佳區(qū)域,為未來的載人登月計(jì)劃做準(zhǔn)備。

三、中國“嫦娥”計(jì)劃及其科研目標(biāo)

我國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,開展拍攝三維圖像等工作;第二階段 (計(jì)劃 2010年)探測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)一步的探測與研究;第三階段 (計(jì)劃 2020年)探測器將采集月球樣品,并將樣品送回地球進(jìn)行分析與研究?！版隙鹨惶?hào)”衛(wèi)星有效載荷系統(tǒng)有 8種探測儀器,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?！版隙鹨惶?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。為了避免宇宙射線打到衛(wèi)星上產(chǎn)生γ射線干擾觀測,“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星攜帶的γ射線譜儀中主探測器晶體的一個(gè)面朝向月球,其他面都用同一種反符合晶體包裹起來,這樣直接進(jìn)入γ射線譜儀主晶體的射線來自月球,而先穿過反符合晶體,再進(jìn)入γ射線譜儀主晶體的射線則是來自衛(wèi)星本身,這樣就能很容易地區(qū)分出來自月球的γ射線了。

3.微波探測儀

“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星首次利用微波輻射手段來探測月壤的厚度,雖然這種手段探測月壤還備受爭議,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)星上的微波探測儀被設(shè)計(jì)成多頻微波輻射計(jì),利用測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.高能粒子探測器和太陽風(fēng)離子探測器

高能粒子探測器和太陽風(fēng)離子探測器能探測太陽高能帶電粒子多種成分和太陽風(fēng)離子詳細(xì)能譜、方向和體速度等?？茖W(xué)家在地球上測到的太陽風(fēng)在地球磁場的作用下完全變形,月球雖然繞地球運(yùn)轉(zhuǎn),但受地球磁場的影響極弱,那里能探測到原始的太陽風(fēng),對(duì)月球的空間輻射環(huán)境進(jìn)行探測,可為人類登陸月球提供科學(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“阿波羅”計(jì)劃之后最大的月球探測項(xiàng)目——“月球女神”(SELENE)計(jì)劃。“月球女神”探測器共攜帶 16臺(tái)科學(xué)探測儀器,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,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型,并勘測其區(qū)域變化模式,以 20 m的分辨率測量整個(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、探測面積大的特點(diǎn),其中太陽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 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)行測繪,其觀測結(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,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。該儀器將觀測星下月面,并用兩個(gè)光柵以 296種波長對(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,帶有二維探測器和帶通濾波器,能以 9種不同的波長對(duì)月面進(jìn)行連續(xù)觀測,該儀器可在紫外—可見光—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)的測繪,所以可研究月球表面幾千萬年的熱輻射。其表觀深度為 5 km,距離分辨率優(yōu)于 100 m。它對(duì)月球周圍的行星電波和等離子體波進(jìn)行觀測時(shí),不受來自地球的人造噪聲和太陽輻射的干擾。

6.激光測高計(jì)(LALT)

激光測高計(jì)是從主衛(wèi)星向月球發(fā)射激光脈沖,精確測量從月球返回信號(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)行激光測距。其空間分辨率為 80m,測距精度為 5 m,可首次建立一個(gè)精準(zhǔn)的月球全球地形圖。該測高計(jì)比美國的“克萊門汀”(Clementine)空間探測器精度高許多,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)用于測量只有地磁場 1/100 000的弱月球磁場,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)月球周圍的磁場及其演變進(jìn)行研究。

8.等離子體成像器(UPI)

它從月球軌道觀測地球上大氣層等離子體層,觀測范圍從 X射線和紫外線到可見光。該儀器利用一臺(tái)極紫外望遠(yuǎn)鏡 (TEX)觀測等離子體層,用一臺(tái)可見光望遠(yuǎn)鏡(TV IS)觀測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)期月球周圍的等離子體環(huán)境及其演變進(jìn)行研究。

10.帶電粒子光譜儀(CPS)

它由α射線探測器 (ARD)和 PS儀器組成,用于測量高能粒子。其中α射線探測器探測月面上Rn和 Po發(fā)射的α射線,獲取過去 50年殼體運(yùn)動(dòng)的信息;PS觀測月球周圍的太陽和銀河宇宙射線,獲得月球周圍的基本宇宙射線數(shù)據(jù)。

11.干涉測量子衛(wèi)星上的 VLBI

干涉測量子衛(wèi)星上的甚長基線干涉測量儀用于測量離月面較近處的重力場,研究月球重力場分布,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議,干涉測量子衛(wèi)星上的射電科學(xué)裝置將通過測量射電波通過電離層時(shí)頻率的變化對(duì)月球電離層進(jìn)行探測。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)星甚長基線干涉測量儀用于測量月面較遠(yuǎn)處的重力場。臼田發(fā)出的上行射電波通過中繼子衛(wèi)星中繼到主衛(wèi)星,再通過中繼子衛(wèi)星返回臼田,最終在臼田測量出多普勒頻率,利用中繼子衛(wèi)星 4程觀測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)星以及干涉測量子衛(wèi)星之間的通信信號(hào)的通信轉(zhuǎn)發(fā)器。在觀測月球表面這個(gè)任務(wù)上,“月球女神”探測器比“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星多一臺(tái)設(shè)備——測地雷達(dá),它能“看”到月球表面以下幾千米。此外,“月球女神”探測器在探測月球環(huán)境方面的任務(wù)也比“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星多一些,它還要探測月球磁場、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)探測月球相關(guān)參數(shù)是“月球女神”探測器所不具備的。

五、其他各國探月計(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探測器,它是 21世紀(jì)人類發(fā)射的第一顆月球探測器,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)行星形成過程、地-月系統(tǒng)起源、月球近/遠(yuǎn)面的二分性、長期火山與構(gòu)造活動(dòng)、月球演化所涉及的熱和動(dòng)力過程以及水冰和表面外部作用等問題。

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

探月工程是我國深空探測的起步,我們應(yīng)該優(yōu)先采用成熟技術(shù),并在加強(qiáng)國際合作的同時(shí),逐步拓寬自主開發(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),借此整合我國科學(xué)資源,進(jìn)而推動(dòng)我國探月工程進(jìn)展和月球科學(xué)的研究與發(fā)展。對(duì)測繪工作者來說,這將充滿了機(jī)遇與挑戰(zhàn),不能再用孤立的眼光來研究月球測繪技術(shù),必須將航天、大地測量、天體物理和地質(zhì)學(xué)等學(xué)科融合起來,將其當(dāng)成系統(tǒng)科學(xué)來研究,力爭為推動(dòng)我國月球和深空探測技術(shù)作出自己的貢獻(xiàn)。

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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)月球重力場的研究。