張揚眉 （北京空間科技信息研究所）

2013年9月6日，“月球大氣與塵埃環(huán)境探測器”（LADEE）由人牛怪－5（Minotaur－5）運載火箭從戈達德航天中心的瓦羅普斯飛行研究所發(fā)射，于10月6日進入繞月軌道。該探測器是美國航空航天局（NASA）的一項月球軌道器任務，任務目的是探測月球大氣和塵埃環(huán)境，確定月球大氣的密度、成分和隨時間變化的情況，研究月球外大氣層中是否存在月球塵埃，并解釋月球塵埃的來源和變化原因。該任務還驗證一種由Minotaur－5運載火箭發(fā)射的新型模塊化平臺的有效性，該平臺的研制成本低、研制時間短，一旦驗證有效，將大大降低未來月球探測任務的成本。

1 任務概況

美國國家研究委員會在其2007年的報告《月球探測的科學背景》中稱，“在載人登月任務對月球環(huán)境造成影響之前，探測月球大氣和塵埃的原始狀態(tài)”是目前優(yōu)先級最高的月球探測目標。2008年3月，LADEE項目立項，并據(jù)上述報告內(nèi)容制定探測目標。LADEE項目屬于NASA月球探索計劃（Lunar Quest Program），該計劃的內(nèi)容包括月球探測任務、有效載荷的研制、對探測成果的研究和分析課題等，由NASA馬歇爾航天飛行中心負責和監(jiān)督。

LADEE探測器是第一個由Minotaur－5運載火箭發(fā)射的航天器，也是第一個從瓦羅普斯飛行研究所發(fā)射的深空探測器。探測器預計工作時間為160天，其中30天進行地-月飛行，30天進行在軌檢測和試運行，100天執(zhí)行繞月探測任務。如果運行狀況良好，可再進行為期9個月的擴展任務。

LADEE任務由NASA的科學任務委員會投資，由埃姆斯研究中心領導。埃姆斯研究中心負責任務管理、航天器制造和任務運行；戈達德航天飛行中心負責有效載荷、技術驗證裝置和科學運行中心的管理；瓦羅普斯飛行研究所則負責運載火箭集成、運載服務等；馬歇爾航天飛行中心通過月球探索計劃辦公室對任務進行管理。

2 科學和工程目標

LADEE的科學目標

1）確定月球大氣的成分，研究月球大氣的分布和變化過程，包括月球大氣的起源、下沉、表面作用等；研究月球的外大氣層是否存在塵埃，并揭示月球塵埃的起源和變化情況；

2）研究月球外大氣層的塵埃環(huán)境，測量月球塵埃的短期變化情況以及月球塵埃對月球大氣的影響。

LADEE的工程目標

1）進行月球激光通信驗證（LLCD），驗證新型通信方式，數(shù)據(jù)傳輸率可達到以往無線電通信方式的速率的6倍，這有助于建立未來的空間通信體系；

2）研制低成本、可復用、靈活性好的“模塊化通用航天器平臺”，該平臺可滿足某些行星探測任務的需要，降低任務成本和風險；

3）驗證Minotaur－5運載火箭發(fā)射行星探測任務的性能。

LADEE探測器在埃姆斯研究中心進行接口測試

LADEE有效載荷性能

3 主要性能與參數(shù)

LADEE采用了埃姆斯研究中心在2006－2008年提出的“模塊化通用航天器平臺”，這是一種小型的、低成本的航天器平臺，可攜帶各種有效載荷，用于包括低地球軌道（LEO）、月球軌道、月球表面、地-月拉格朗日點、近地小天體（NEO）等不同軌道目標的探測任務，可用于軌道器任務或著陸器任務。LADEE任務的總預算為2.63億美元。

LADEE平臺采用了一種輕型的碳復合物結構，可容納發(fā)射載荷，減輕沖擊力，且便于制造和組裝。該模塊化平臺不僅可用于多種探測任務，還可同時進行各部件的研制和組裝。其系統(tǒng)級組件都來自低成本的、經(jīng)過飛行驗證的產(chǎn)品線。

LADEE采用的平臺模塊包括以下幾個子模塊：①散熱器模塊，攜帶電子設備、電子系統(tǒng)、姿態(tài)敏感器和有效載荷；②平臺模塊；③有效載荷模塊，攜帶2種有效載荷；④擴展模塊，上面裝有推進系統(tǒng)；⑤推進模塊。

工作人員將探測器放置到運輸?shù)鬃喜⒐潭?/p>

LADEE平臺模塊

LADEE質量為383k g，采用三軸穩(wěn)定或自旋穩(wěn)定模式；衛(wèi)星采用體裝式太陽電池陣，功率為295W；雙組元推進系統(tǒng)包括1個主推進器、6個姿態(tài)控制推力器、2個燃料箱、2個氧化劑燃料箱、2個壓力箱等；通信系統(tǒng)包括獨立的接收器、轉發(fā)器和高功率放大器（HPA）模塊，射頻（RF）轉發(fā)器功率為5W，具有靈活的傳輸功率模式；采用由NASA埃姆斯研究中心的全向/中增益天線進行通信。LADEE攜帶了3種有效載荷和1項技術驗證裝置。

散熱器模塊上安裝了電子設備、電池、姿態(tài)敏感器、天線、紫外光和可見光光譜儀及月球塵埃實驗裝置等，這樣的設計可簡化集成和測試過程。

有效載荷模塊上安裝了中性粒子質譜儀、月球激光通信驗證裝置以及呈角錐體狀的反作用輪等。

LADEE任務的地面系統(tǒng)由分布在NASA各大中心和研究所的地基設施組成，包括埃姆斯研究中心的任務運行中心、戈達德飛行中心的科學運行中心，并將白沙試驗研究所作為LADEE任務的主地面站。來自地面站的數(shù)據(jù)將被發(fā)送到任務運行中心進行處理、分配、存儲與歸檔?？茖W與儀器數(shù)據(jù)以及探測器運行情況和安全數(shù)據(jù)被發(fā)送到科學運行中心，在那里進行儀器數(shù)據(jù)的處理與科學分析。

4 任務設計

LADEE任務包括5個主要階段：發(fā)射前、發(fā)射與早期任務、試運行、正式運行、擴展任務。發(fā)射LADEE的Minotaur－5火箭是一種新型運載火箭，由Minotaur－4火箭演變改良而來；而Minotaur－4的前3級則繼承了之前取得巨大成功的“和平衛(wèi)士”洲際導彈的設計。

LADEE發(fā)射升空后進行數(shù)次軌道機動，飛行約30天，最終到達月球附近，在遠地點約250k m、近地點約75k m的橢圓軌道上運行；接著該探測器進行為期30天的檢查和試運行，在此期間，LADEE進行月球激光通信驗證。隨后，探測器將下降到約50km的軌道上執(zhí)行為期約100天的正式科學任務。100天之后，LADEE將執(zhí)行擴展任務，直到燃料耗盡，最后受控撞擊月球。