吳偉仁，于登云，王 赤，劉繼忠，唐玉華，張 熇，鄒永廖，馬繼楠，周國棟，張 哲，盧亮亮

（1. 探月與航天工程中心，北京 100186；2. 航天科技集團(tuán)有限公司，北京 100048；3. 中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心，北京 100190；4. 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

引 言

月球作為距離地球最近的天體，是人類深空探測的首選目標(biāo)。人類已先后實(shí)施了約118次探測活動，先后有20多個探測器實(shí)施了月球正面探測。2019年，我國的“嫦娥4號”任務(wù)實(shí)現(xiàn)了月球背面首次探測。近年來，月球極區(qū)因礦產(chǎn)資源豐富、可能存在水冰，以及地理位置資源獨(dú)特等因素，其科學(xué)價值和研究意義重大，正成為國際月球探測新的熱點(diǎn)[1]。

月球極區(qū)分為南極和北極，相較于北極，月球南極具有最古老、最大、最深的撞擊坑，科學(xué)研究意義更大。近年來，歐洲航天局（European Space Agency，ESA）提出了月球南極探測計劃，在月球南極建立“月球村”；俄羅斯也制定了月球南極探測規(guī)劃，擬通過“LUNAR-25”～“LUNAR-29”共5次任務(wù)的實(shí)施，在南極建立“月球基地”；印度在2019年實(shí)施的“月船2號”（Chandrayaan-2）在南極著陸失敗后，又計劃在2021年前后發(fā)射“月船3號”（Chandrayaan-3）任務(wù)，再次進(jìn)行南極著陸探測；美國更是高度重視南極，2017年提出“重返月球”，2019年正式發(fā)布“阿爾忒彌斯”（Artemis ）計劃，要不惜一切代價在2024年實(shí)施月球南極登陸，并明確提出要主導(dǎo)國際探測的新格局。中國學(xué)者早在2012年就針對月球基地建設(shè)，提出了月球基地結(jié)構(gòu)形式設(shè)想[2]。月球極區(qū)探測已成為航天大國競相搶占的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

開展月球極區(qū)探測，首先需要關(guān)注的是兩個方面：一是月球極區(qū)需重點(diǎn)關(guān)注哪些科學(xué)問題；二是亟需突破和解決哪些關(guān)鍵技術(shù)問題，才能到達(dá)月球極區(qū)并實(shí)現(xiàn)科學(xué)探測目標(biāo)。本文在這兩方面進(jìn)行了初步研究，目的是促進(jìn)未來中國月球極區(qū)探測項目實(shí)施。

1 極區(qū)探測的主要科學(xué)問題

根據(jù)“嫦娥2號”（Chang'E-2，CE-2）探測器獲取的高分辨率全月圖和美國“月球勘測軌道器”（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO）長時間探測的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，月球極區(qū)地形地貌復(fù)雜，存在永久陰影區(qū)的撞擊坑眾多。這些撞擊坑內(nèi)，很可能存在水冰[3-4]。比如，月球南極分布著大大小小幾十個撞擊坑，大部分撞擊坑直徑在10 km以上，深度達(dá)3 km左右。根據(jù)黃道面、白道面推算，月球極區(qū)存在長達(dá)100多天的連續(xù)光照區(qū)，這都是月球極區(qū)特有的環(huán)境條件。

與中低緯度地區(qū)相比，月球極區(qū)還存在一些特殊的需要深入研究的科學(xué)問題，主要包括月球水冰及揮發(fā)組分來源與分布、月球深部物質(zhì)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)、月球形貌構(gòu)造和撞擊歷史、近月表環(huán)境及其過程、月球金屬礦產(chǎn)和稀有氣體資源等方面[5-6]。

1.1 月球水冰及揮發(fā)組分來源與分布

關(guān)于月球水和揮發(fā)組分的學(xué)術(shù)爭論主要在兩個層面：第一層面是月球中的水和揮發(fā)組分特別是其早期含量問題，涉及月球“干濕論”之爭、月球的起源與演化、巖漿洋理論體系等重大科學(xué)問題，其中月壤中的揮發(fā)組分還涉及漫長的月球演化歷史中，太陽風(fēng)和宇宙射線與月面表層物質(zhì)相互作用等學(xué)術(shù)難題（圖1），而且月壤中的揮發(fā)組分還是未來月球資源開發(fā)利用的重要對象；第二層面是關(guān)于月面永久陰影區(qū)是否有水（冰）存在及其賦存狀態(tài)、含量、分布和來源的科學(xué)問題，而這一問題盡管目前理論上和間接測量上認(rèn)為月球永久陰影區(qū)確實(shí)存在水（冰），但直接的測量證據(jù)及其賦存狀態(tài)、含量、分布、來源等都沒得到解決。就月球資源利用和開發(fā)而言，月球永久陰影區(qū)水（冰）是未來月球基地重要的戰(zhàn)略資源。因此，月球中的水和揮發(fā)組分及其在永久陰影區(qū)水（冰）存在與否等系列關(guān)聯(lián)問題一直是國際學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)和未來工程任務(wù)的探測重點(diǎn)[7-9]。月球南極分布著大量的撞擊坑，其中很多區(qū)域?qū)儆谟谰藐幱皡^(qū)，是揭示上述科學(xué)難題和評估未來資源的重要場所。由于之前的探測和研究是基于軌道遙感中子譜儀、合成孔徑雷達(dá)、光譜儀等技術(shù)手段，只能得到陰影區(qū)存在水冰的間接證據(jù)，且難于判斷其存在的深度和賦存狀態(tài)等，無法從根本上解決上述系列問題。

圖1 月球水和揮發(fā)分的來源機(jī)制Fig. 1 Source mechanism of lunar water and volatiles

如果使用更先進(jìn)的高精度中子–伽馬譜儀、合成孔徑雷達(dá)，同時對永久陰影區(qū)原位直接測量H2O分子及其H同位素，不但能直接證認(rèn)水冰的存在并揭示來源，而且可通過原位測量結(jié)果與全月面永久陰影區(qū)遙感探測結(jié)果的對比分析，從而獲取月球陰影區(qū)水冰的分布、含量，評估其儲量及其未來戰(zhàn)略資源開發(fā)利用價值，再結(jié)合月球樣品中水和揮發(fā)組分的實(shí)驗室精細(xì)測試分析和研究，不但對解決上述系列科學(xué)問題有重要意義，進(jìn)而為月球的起源、巖漿洋理論和月球“干濕論”等這些重大科學(xué)命題的研究提供關(guān)鍵證據(jù)和條件約束。

1.2 月球深部物質(zhì)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)

月球深部物質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)是理解月球起源和演化的核心要素，也是目前月球科學(xué)研究最為薄弱的環(huán)節(jié)。月球南極–艾特肯盆地（South Pole-Aitken Basin）是月球上最古老、最大和最深的撞擊盆地[10]，提供了研究深部物質(zhì)的天然地質(zhì)剖面。該盆地地勢較低且月殼較薄，有可能挖掘出深部物質(zhì)乃至月幔物質(zhì)。雖然該區(qū)域表面可能有月海玄武巖覆蓋，但后期形成的撞擊坑又可能重新將較新鮮的月幔物質(zhì)暴露出來[11]。因此對月球南極區(qū)域的探測，獲取該區(qū)物質(zhì)成分特別是來自艾特肯盆地成坑期間濺射物信息，有望獲取到下月殼甚至月幔物質(zhì)特性，對精準(zhǔn)揭示月殼早期成分及其構(gòu)造演化具有重要的科學(xué)價值。由于尚無法通過遙感手段直接獲得準(zhǔn)確的深部物質(zhì)成分，也沒有采集到月球深部的巖石樣品，目前對月球深部物質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性的認(rèn)識主要來自早期月震、月球重力場的探測和理論模型反演的結(jié)果。月震的探測僅限于Apollo時期在月球正面布置的幾個觀測點(diǎn)[12]，特別是由于阿波羅時代的地震儀性能的局限性，對月球全球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究結(jié)果越來越多地受到質(zhì)疑，如阿波羅時代得出的探測結(jié)果認(rèn)為月核半徑約為700 km，20世紀(jì)90年代得出約為400 km，而最新的研究則表明可能只有200 km。此外，由于月球南極地塊是月球大地塊中可能最古老的地質(zhì)體，人類從未在該區(qū)進(jìn)行過著陸與巡視就位探測，月球極區(qū)是研究月殼早期物質(zhì)成分特征及其演化歷史的理想場地（圖2）。

利用探測器對該區(qū)物質(zhì)成分進(jìn)行精細(xì)的就位探測和月震的長期連續(xù)測量，結(jié)合月球返回樣品的實(shí)驗室測試分析，可以獲取原始月殼物質(zhì)特性、月球深部物質(zhì)特性和內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)特性，重現(xiàn)月球南極區(qū)域地質(zhì)演化歷史，進(jìn)而揭示月球化學(xué)成分的演化進(jìn)程。

圖2 月球三大地體：風(fēng)瀑洋KREEP地塊、斜長巖質(zhì)高地、南極–艾特肯盆地地塊分布及特征Fig. 2 Lunar geotexture distribution：procellarum KREEP terrane，feldspathic highlands terrane，SPA terrane

1.3 月球形貌構(gòu)造和撞擊歷史

小天體撞擊是太陽系早期普遍和重要的事件，對地球、火星等行星的環(huán)境和演化產(chǎn)生了重大的影響。由于長期和強(qiáng)烈的地質(zhì)作用，地球早期的撞擊痕跡已基本被抹除。月球南極–艾特肯盆地不但是太陽系類地行星中的最大和最深的撞擊盆地，也是全月面撞擊坑分布密度最大的區(qū)域，而且相對于地球、金星、火星等類地行星，月球是地質(zhì)構(gòu)造演化程度最低的天體，保留了早期地質(zhì)構(gòu)造的遺跡，不但是研究月球早期構(gòu)造、撞擊歷史以及撞擊影響的絕佳場所（圖3），而且是研究太陽系類地行星早期地質(zhì)構(gòu)造特征、演化歷史和撞擊歷史的天然標(biāo)本。特別地，根據(jù)目前利用撞擊坑統(tǒng)計定年分析結(jié)果，表明南極–艾特肯盆地的撞擊年齡有可能是在40億年左右，這對揭示目前困擾學(xué)術(shù)界關(guān)于太陽系40億年前后為撞擊高峰期的科學(xué)問題具有重要的啟示[13-14]。

圖3 月球撞擊年代曲線與地質(zhì)事件[15]Fig. 3 Lunar impact flux curve and major geologic events[15]

此外，由于月球南極的撞擊坑中有很多區(qū)域是永久性陰影區(qū)，此前對其地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造的信息少且精度不夠，大大影響了對該區(qū)形貌構(gòu)造的了解。利用高精度遙感光學(xué)相機(jī)和雷達(dá)，以及著陸區(qū)的光學(xué)相機(jī)和雷達(dá)，以就位和巡視的方式聯(lián)合開展探測，能夠獲取月球南極全覆蓋的形貌構(gòu)造、撞擊坑及其分布特征，結(jié)合物質(zhì)成分的探測結(jié)果，可全方位再造月球早期形貌構(gòu)造演化歷史和撞擊歷史。

1.4 近月表環(huán)境及其過程

月表環(huán)境不但是月球科學(xué)研究領(lǐng)域重要的科學(xué)問題，而且也是未來人類、機(jī)器人月面作業(yè)需要了解的關(guān)鍵參數(shù)。本文探討的月表環(huán)境特指月表電磁場、塵埃、等離子體和粒子輻射，這些環(huán)境特性涉及許多微觀物理過程，主要有太陽風(fēng)粒子和宇宙線在月面的濺射/反射、月面帶電與等離子體鞘層、帶電塵埃的動力學(xué)過程、帶電粒子與月面物質(zhì)的作用等（圖4）。這些過程不僅與入射的粒子、輻射狀況有關(guān)，還涉及局部的形貌、磁場等地質(zhì)條件。只有在月面開展原位測量，才能深入了解其本質(zhì)。開展對月球環(huán)境的探測和研究，有助于人類進(jìn)一步認(rèn)識月球與太陽風(fēng)、宇宙線等相互作用的基本物理規(guī)律，還可以服務(wù)于人類探索月球的航天活動，為生物在月球生存，航天裝備的安全保障等提供必要的環(huán)境要素。

圖4 近月面空間環(huán)境及其過程[16]Fig. 4 Lunar surface space environment and its processe[16]

利用月表等離子體參數(shù)的探測數(shù)據(jù)，有助于了解太陽風(fēng)、磁尾等離子體與月表相互作用的過程和特性[17]，確定月表等離子體環(huán)境的形成機(jī)制及其與太陽活動和月面地質(zhì)條件的關(guān)系，結(jié)合月表電磁場的探測，研究太陽風(fēng)與月表磁場的相互作用機(jī)理；通過對月表帶電塵埃的探測，結(jié)合等離子體參數(shù)的探測，有助于研究著陸區(qū)局部月面電場及其對月塵動力學(xué)過程的影響，確定月表電場的分布以及塵埃等離子體遷徙的規(guī)律，研究月表電場以及塵埃懸浮和輸運(yùn)的機(jī)制；通過探測月球表面粒子輻射環(huán)境，與電場儀探測結(jié)果綜合分析，有助于揭示月表局部高壓帶電環(huán)境的形成機(jī)制，進(jìn)而探索可能的月塵噴發(fā)的誘因[18-19]；通過月球附近等離子體、高能帶電粒子、電磁場的觀測，獲得月表濺射粒子的特征，有助于研究月球稀薄大氣成分的逃逸機(jī)制。

1.5 月球金屬礦產(chǎn)和稀有氣體資源

月球蘊(yùn)含著豐富的各類資源，除了上述介紹的在月球永久性陰影區(qū)可能存在大量的水冰外，還含有月面物質(zhì)賦存的海量的金屬礦產(chǎn)資源和稀有氣體資源等。月球分布有22個月海，其覆蓋了厚厚的一層月海玄武巖，根據(jù)阿波羅樣品分析表明，月海玄武巖（特別是高鈦玄武巖）中鈦鐵礦的含量極高，而且開采鈦鐵礦的副產(chǎn)品—水和氧氣也是未來月球科研站的重要戰(zhàn)略資源。月球幾乎沒有大氣，太陽風(fēng)直接注入，稀有氣體特別是氦–3等賦存于月壤中。根據(jù)阿波羅樣品的分析表明，不同成分的月壤，其稀有氣體的含量和賦存狀態(tài)都不一樣。氦–3還可以作為一種可長期使用、清潔、高效、安全的核聚變發(fā)電燃料[20]。有專家初步估算，月壤中氦–3的儲量高達(dá)500萬t，若能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化利用，可供地球能源需求達(dá)數(shù)萬年[21-22]，是未來月球資源開發(fā)利用的重要戰(zhàn)略資源。

利用遙感技術(shù)，在對月球南極礦產(chǎn)資源進(jìn)行普查的基礎(chǔ)上實(shí)施就位精細(xì)勘查，進(jìn)而開展稀有氣體資源的就位分析和提取試驗，可為未來月球資源開發(fā)與利用提供重要的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

2 主要技術(shù)問題

要解決月球極區(qū)的上述主要科學(xué)問題，不僅需要采用月球環(huán)繞探測，還需要開展月球極區(qū)著陸、巡視或飛躍等多種探測活動。鑒于極區(qū)復(fù)雜地形環(huán)境和特殊地理位置，要能夠適應(yīng)極區(qū)光照、溫度、地形等特殊環(huán)境，探測器和載荷在工程實(shí)現(xiàn)上需要突破一系列關(guān)鍵技術(shù)，主要包括極區(qū)精細(xì)勘察、狹小區(qū)域的精準(zhǔn)著陸、陰影區(qū)到達(dá)、長期能源供給、多目標(biāo)測控通信、資源開發(fā)利用、極端環(huán)境下長壽命、地面試驗驗證等多項技術(shù)[22-24]。

2.1 極區(qū)精細(xì)勘察

月球的極區(qū)，并沒有嚴(yán)格的定義。如果比照地球的劃分方法，是指南北緯66.5°以上地區(qū)。實(shí)際上，考慮月球白道與黃道的夾角，真正可能存在永久陰影坑、真正具有“極夜極晝”現(xiàn)象的地區(qū)，應(yīng)該在南北緯86°以上[25]。而這些地區(qū)，太陽高度角很低，目前的光學(xué)遙感探測效果并不好，激光、微波等方式獲得的探測結(jié)果往往分辨率也不夠高。因此，目前對極區(qū)的地貌環(huán)境的探測數(shù)據(jù)顆粒度較大，缺乏詳細(xì)和精細(xì)的極區(qū)地貌環(huán)境探測數(shù)據(jù)。為獲取地形地貌的精細(xì)科學(xué)數(shù)據(jù)以及開展精準(zhǔn)著陸探測和后續(xù)資源開發(fā)利用，需要對極區(qū)實(shí)施大范圍精細(xì)勘察，詳細(xì)了解極區(qū)地貌環(huán)境、礦物組成、水冰等資源分布等。如何實(shí)現(xiàn)對極區(qū)精確勘察是一個需要優(yōu)先突破的技術(shù)難題。

對極區(qū)實(shí)施大范圍精細(xì)勘察，需在月球軌道布置環(huán)月器進(jìn)行低軌精細(xì)勘察。極區(qū)精細(xì)勘察技術(shù)主要涉及軌道器的系統(tǒng)總體技術(shù)、高精高穩(wěn)控制技術(shù)、高分辨率的光學(xué)和雷達(dá)探測技術(shù)等內(nèi)容。

2.2 狹小區(qū)域的精準(zhǔn)著陸

月球極區(qū)，遍布大大小小的撞擊坑，且撞擊坑內(nèi)部坡度較為陡峭[26]，地形起伏較大，而太陽高度角就只有1°～4°。這樣的地形和光照條件，使選擇滿足地形、光照、科學(xué)探測等各方約束條件的著陸區(qū)變得極端困難，即可供著陸的區(qū)域非常有限，必須實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)著陸。如果著陸點(diǎn)偏離百米以上，就可能造成探測器著陸后處于無光照的困難境地，甚至不能安全著陸。因此，在狹小區(qū)域的高精度著陸控制，是極區(qū)探測必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。

我國“嫦娥3號”“嫦娥4號”任務(wù)實(shí)現(xiàn)的軟著陸探測，基本是依靠慣性導(dǎo)航加對月測距測速和局部地形識別避障的方式。其中軌道傾角控制偏差、主發(fā)動機(jī)推力偏差會給著陸精度帶來較大的影響，一般著陸精度在千米量級[27]。而在極區(qū)著陸則需要保證百米量級的著陸精度，因此，需研究基于圖像匹配或基于信標(biāo)導(dǎo)航的更高精度著陸控制技術(shù)（圖5）。圖像匹配方法的核心是：在主減速段是通過圖像導(dǎo)航的方式，不斷預(yù)報落點(diǎn)偏差，通過調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)推力實(shí)現(xiàn)落點(diǎn)偏差修正；在著陸末段，通過圖像識別和避障算法，實(shí)現(xiàn)安全著陸。信標(biāo)導(dǎo)航方法則是通過先在月面設(shè)置無線電信標(biāo)，然后著陸器著陸過程與信標(biāo)通信，實(shí)時獲取相對信標(biāo)的三維坐標(biāo)，在信標(biāo)的導(dǎo)引下實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)著陸。信標(biāo)導(dǎo)航方式的著陸，更適合后續(xù)月面多探測器著陸到較接近的區(qū)域，開展聯(lián)合探測。

圖5 圖像匹配導(dǎo)航過程示意圖Fig. 5 Schematic diagram of image matching navigation process

2.3 陰影區(qū)到達(dá)

永久陰影區(qū)多位于月球極區(qū)一些較深撞擊坑的底部（圖6），由于太陽高度角較低和坑壁的遮擋，使其終年處于無光照的條件。目前，利用LRO和“月亮女神號”月球探測器的（SELenological and ENgineering Explorer，SELENE）的探測數(shù)據(jù)，對月球南北極可能存在的永久陰影坑有了較好的預(yù)測[28]，但由于陰影坑惡劣的條件，使人類的探測器還未能涉足開展就位探測。陰影坑內(nèi)部的地形地貌、物質(zhì)成分、水冰以何種形式賦存等科學(xué)問題，都是亟待解決的難題。而要解決這一難題，最有效的方式是探測器到達(dá)陰影區(qū)，開展原位精細(xì)探測。

圖6 月球南極具有多個永久陰影區(qū)的撞擊坑Fig. 6 Impact craters with multiple permanently shadowed areas at the south pole of the moon

但陰影區(qū)的到達(dá)，相比月球上其它地區(qū)的到達(dá)，具有更大的難度。首先，陰影坑的坑壁坡度一般達(dá)到30°～40°[29]（圖7），一般的月球車很難在坑壁上移動；第二，陰影坑內(nèi)部，沒有光照，著陸時無法采用光學(xué)成像進(jìn)行導(dǎo)航避障，必須采用激光或者主動照明技術(shù)，而陰影坑內(nèi)部物質(zhì)對激光和可見光的反照率存在不確定性，也給導(dǎo)航敏感器的設(shè)計帶來挑戰(zhàn)；第三，陰影坑內(nèi)部，由于可能存在水冰，其月壤的特性與中低緯地區(qū)會有較大差異，受水冰豐度的影響，土壤力學(xué)、化學(xué)特性也會有所不同，這對于著陸緩沖以及著陸后的鉆取等工作也會帶來很大的困難；第四，永久陰影區(qū)內(nèi)部，由于常年沒有太陽輻射，其內(nèi)部溫度可能低至約40 K[30]，探測器面臨的是無光照和極寒的溫度邊界。

圖7 月球探測輻射計測得的月球南極范圍內(nèi)的表面溫度分布圖（80°S至南極點(diǎn)）Fig. 7 Surface temperature distribution in the south pole of the moon measured by lunar probe radiometer（80° s to the south pole）

采用低空飛躍技術(shù)研制飛躍探測器，也許可有效克服傳統(tǒng)的巡視探測無法到達(dá)撞擊坑內(nèi)的問題。飛躍探測器可在月面光照區(qū)起飛，飛至撞擊坑內(nèi)的永久陰影區(qū)內(nèi)，通過表面移動或飛躍，對可能存在水冰的區(qū)域開展原位多點(diǎn)探測。但是，研制飛躍探測器涉及的關(guān)鍵技術(shù)眾多，需要重點(diǎn)研究和突破低空飛躍探測制導(dǎo)與控制、高比能量鋰離子蓄電池、電子信息模塊高集成輕小型化、極低溫環(huán)境下新型熱控、輕小型可重復(fù)主動緩沖/移動機(jī)構(gòu)等技術(shù)。

2.4 長期能源供給

月球極區(qū)在光照區(qū)，太陽高度角只有幾度（圖8），在月面的輻照度只有0～38 w/m2[31]，月面溫度在100～160 K左右，而且永久陰影坑沒有太陽能可以利用。這些均給極區(qū)探測器能源的供給帶來更大挑戰(zhàn)。盡管如此，太陽能仍是必須有效利用的最主要的能源，而且采用太陽帆板豎立并跟蹤太陽的方式，應(yīng)盡量提高太陽入射角度，以獲得有效的發(fā)電能力；同時，同位素?zé)嵩础⑼凰仉娫?，作為提供熱能和電能的有效手段，在極區(qū)探測中仍然可發(fā)揮重要的作用，但要實(shí)現(xiàn)在諸如南極的月球極區(qū)開展長期探測，能源供給仍是需要優(yōu)先解決的關(guān)鍵技術(shù)。

圖8 月球兩極太陽輻射入射角和月表有效太陽輻照度的時間變化Fig. 8 Time variation of the angle of incidenced of solar radiation at the poles of the moon and time variation of effective solar irradiance on the moon surface

解決長期能源供給，重點(diǎn)需在兩方面下功夫：一是提高現(xiàn)有能源技術(shù)效率，包括如何提高熱能的利用效率，提高熱能轉(zhuǎn)化為電能的效率，實(shí)現(xiàn)熱電綜合高效使用等；二是開發(fā)新型能源或新型傳輸技術(shù)，包括無線能量傳輸技術(shù)等。

2.5 多目標(biāo)測控通信

月球極區(qū)探測可以采用中繼星、軌道器、著陸器、飛躍探測器和巡視器等多個探測器聯(lián)合工作的方式，因此，隨著后續(xù)任務(wù)的實(shí)施，將有多個工作在環(huán)月軌道和月面的探測器。另外，在月球極區(qū)，不同于月球正面的大多數(shù)地區(qū)，由于月球的自轉(zhuǎn)、天平動的影響以及局部地形影響，月球極區(qū)幾乎不存在可以持續(xù)對地通信的區(qū)域，對地可見的高度角也往往只有幾度（圖9）。因此，如何利用有限的地面測控資源有效地對多個目標(biāo)進(jìn)行操作和管理，對各器進(jìn)行控制、狀態(tài)監(jiān)視、定軌定位和協(xié)同操作，將是未來月球極區(qū)探測工程實(shí)施必須面對和解決的全新課題。

圖9 極區(qū)對地通信條件分析Fig. 9 Analysis of communication conditions between the polar region of the Moon and the Earth

利用在月球軌道布置中繼星，實(shí)現(xiàn)極區(qū)與地球間測控通信，是提高工作效率的有效途徑。但需重點(diǎn)研究中繼星的軌道選擇、通信頻點(diǎn)選擇、中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式、多通道實(shí)時支持能力等，綜合通信量、可見弧段、資源需求等給出優(yōu)化的設(shè)計。同時要認(rèn)真開展月面多器協(xié)同操作控制和管理技術(shù)進(jìn)行研究，以確保在任務(wù)期間合理分配測控資源、提高多器聯(lián)合操作的可靠性和協(xié)同性[32]。

2.6 資源開發(fā)利用

月球極區(qū)的資源，廣義上說可以分為3類：位置資源、物質(zhì)資源和信息資源。位置資源，是指月球在地月系中特殊的位置，可以使它成為監(jiān)測地球、監(jiān)測地外天體的一個有效窗口；物質(zhì)資源，是指可能存在的有用礦物、水冰、氦–3等物質(zhì)成分，可以為人類的可持續(xù)發(fā)展提供資源和能源補(bǔ)充；信息資源，是指月球在太陽系、地月系的演化過程中，可能保存了更古老更有用的信息，可為空間科學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的研究提供寶貴的依據(jù)[33]，月球基地建設(shè)如圖10所示。

圖10 月面建設(shè)示意圖Fig. 10 Schematic diagram of lunar surface construction

這些資源的開發(fā)利用，需要研究不同的探測和開發(fā)手段。例如用于對地球進(jìn)行宏觀觀測的望遠(yuǎn)鏡、輻射計、用于月球深部結(jié)構(gòu)探測的月震儀、用于稀有氣體提取的試驗裝置、用于月面水、氫、氧制造的裝置、用于月壤就位制造構(gòu)件的原位成型裝置等。這些資源開發(fā)利用裝置，需要滿足月球極區(qū)特殊工作條件的輕小型、耐低溫、低功耗、高可靠的要求[34]。

2.7 極端環(huán)境下長壽命

未來月球極區(qū)探測通常要考慮建立月球科研站或月球基地，開展長期持續(xù)探測。因此，相比于以往探月工程任務(wù)，探測器的壽命可能需大幅增加至8～10年，探測器將面臨月球極區(qū)極端環(huán)境下長期服役、月面自主任務(wù)管理和生存管理等諸多挑戰(zhàn)，特別是極低溫、1/6 g重力、月塵影響等極端環(huán)境下高可靠元器件和長壽命執(zhí)行機(jī)構(gòu)將是影響成敗的決定性因素之一。但當(dāng)前尚未建立月球極端環(huán)境下元器件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的質(zhì)量與可靠性數(shù)據(jù)體系，缺乏極區(qū)惡劣環(huán)境下機(jī)構(gòu)產(chǎn)品可靠性數(shù)據(jù)融合分析及利用方法，缺少信息化工程研制管理和產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的工具平臺，亟需開展極端環(huán)境下長壽命相關(guān)研究工作。

極端環(huán)境下長壽命技術(shù)研究，應(yīng)以長壽命執(zhí)行機(jī)構(gòu)、高可靠元器件為研究對象，針對極區(qū)環(huán)境特點(diǎn)分類采集質(zhì)量與可靠性數(shù)據(jù)，通過多源數(shù)據(jù)融合，開展可靠性評估和壽命預(yù)測、評價和質(zhì)量一致性控制與評價等數(shù)據(jù)利用技術(shù)研究，形成支持后續(xù)月球探測器高可靠性長壽命設(shè)計的工程平臺。重點(diǎn)突破月球探測器質(zhì)量與可靠性數(shù)據(jù)分析、多源質(zhì)量與可靠性數(shù)據(jù)融合和極端環(huán)境數(shù)據(jù)處理及關(guān)鍵機(jī)構(gòu)產(chǎn)品可靠性分析等關(guān)鍵技術(shù)，立足型號應(yīng)用，優(yōu)化數(shù)據(jù)項識別、采集、傳遞和管理模式，充分提取和利用研制試驗數(shù)據(jù)和已有探測器產(chǎn)品數(shù)據(jù)，針對極低溫、微重力等特殊環(huán)境，建立數(shù)據(jù)融合、可靠性評估與壽命預(yù)測、質(zhì)量一致性控制等模型，支撐月球極端環(huán)境下典型元器件和關(guān)鍵機(jī)構(gòu)產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)識別和改進(jìn)設(shè)計。

2.8 地面試驗驗證

為確保探測器在軌可靠工作，必須研究地面試驗驗證技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地面驗證的充分和有效。對于極區(qū)探測器，相對“嫦娥3號”“嫦娥4號”已經(jīng)形成的試驗方法和具備的地面驗證條件[35]（見圖11），主要應(yīng)補(bǔ)充的試驗技術(shù)研究主要體現(xiàn)在4個方面。

一是深冷低溫環(huán)境下探測器的生存試驗，需要模擬陰影坑內(nèi)部40 K左右的溫度邊界，考察探測器熱控系統(tǒng)的能力和艙內(nèi)外設(shè)備的溫度水平。這樣的熱真空試驗裝置，不能再使用以往的液氮熱沉，而必須采用液氦流程，實(shí)現(xiàn)溫度邊界的有效控制。

二是深冷低溫下月壤鉆取技術(shù)驗證。不同的溫度條件，不同的水冰含量，不同的月壤顆粒級配，對月壤的鉆取力學(xué)特性有較大影響。為驗證探測器在陰影坑內(nèi)的取樣能力，必須在地面對取樣裝置開展相應(yīng)的模擬試驗，獲取鉆取機(jī)構(gòu)與月壤相互作用的特性。同時，為盡量保證取樣過程不破壞水冰的原有賦存狀態(tài)，應(yīng)開展低溫采樣地面驗證技術(shù)的攻關(guān)。

三是羽流與探測器、與月壤的相互作用的試驗驗證。發(fā)動機(jī)工作，羽流會對探測器、月面形成力、熱、污染等作用[36]。不同的探測器構(gòu)型，不同的月面條件，相應(yīng)的作用效果不同。應(yīng)在數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，研究相關(guān)試驗技術(shù)，模擬真實(shí)在軌環(huán)境，獲得盡量真實(shí)的測量結(jié)果，以支持在軌程序的優(yōu)化。

四是探測器長壽命高可靠驗證技術(shù)。在月面長期工作的探測器，面臨更為惡劣的環(huán)境。為滿足未來月球極區(qū)探測工程任務(wù)的需求，要求工作壽命長達(dá)8～10年。在地面，如何驗證各設(shè)備的長期工作能力，需分析影響壽命的敏感因素，構(gòu)建壽命評價指標(biāo)體系，建立加速壽命試驗方法，從而既有效又經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)探測器壽命的地面驗證。

圖11 著陸地面試驗場Fig. 11 Ground test site for lunar landing

3 結(jié)束語

開展月球極區(qū)探測，尤其是開展極區(qū)水冰及揮發(fā)分、極區(qū)地貌環(huán)境、月球深部物質(zhì)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)等科學(xué)問題研究，是深化月球科學(xué)研究的必由之路。突破極區(qū)精細(xì)勘察、精準(zhǔn)著陸、陰影區(qū)到達(dá)等多項技術(shù)，既是解決月球極區(qū)主要科學(xué)問題的必要手段，也是實(shí)現(xiàn)我國空間技術(shù)跨越發(fā)展的重要途徑。

本文結(jié)合當(dāng)前國際月球科學(xué)問題研究熱點(diǎn)，細(xì)致梳理和分析了月球極區(qū)實(shí)施探測的主要科學(xué)和技術(shù)問題，旨在為后續(xù)開展研究、引領(lǐng)月球探測可持續(xù)發(fā)展拋磚引玉。