李飛 張熇 吳學(xué)英 董捷

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

月球著陸探測(cè)從20世紀(jì)50年代開始至今，所有著陸區(qū)都集中在月球正面的中低緯度地區(qū)，包括美國(guó)的“勘測(cè)者”（Surveyor）、“阿波羅”（Apollo），蘇聯(lián)的“月球”（Luna）［1］，以及我國(guó)首次成功在月球著陸（19．51°W，44．12°N）的嫦娥三號(hào)探測(cè)器。與已完成著陸探測(cè)任務(wù)的月球中低緯度地區(qū)不同，月球南極地區(qū)大型撞擊坑較多且分布密集，地形地貌條件較為惡劣；月球赤道面與黃道面的夾角較小，使南極地區(qū)太陽(yáng)高度角低，且存在連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間光照或連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間陰影；地球同月球高緯度位置關(guān)系造成南極地區(qū)對(duì)地可見具有長(zhǎng)周期的特性；此外，地形對(duì)光照和對(duì)地可見的影響較大。南極地區(qū)的上述關(guān)鍵特性，使著陸探測(cè)任務(wù)存在較大風(fēng)險(xiǎn)，工程實(shí)現(xiàn)存在較大難度，這也是之前所有月球著陸區(qū)都選擇了著陸條件更為良好的中低緯度地區(qū)的重要原因之一。

隨著工程技術(shù)的發(fā)展，月球南極地區(qū)的著陸探測(cè)已成為主要航天國(guó)家和組織未來(lái)的月球探測(cè)熱點(diǎn)之一，主要原因在于開展月球南極探測(cè)具有較高的工程意義和科學(xué)價(jià)值。一方面，南極海拔比較高的區(qū)域（如撞擊坑的邊沿、山頂、山脊）具有較長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)光照，良好的光照條件可以提供持續(xù)的太陽(yáng)能；另一方面，在南極地區(qū)撞擊坑的底部存在永久陰影區(qū)，可能存在水冰，并可為科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供極低的溫度環(huán)境。作為谷歌月球X 大獎(jiǎng)賽的參賽成員，美國(guó)商業(yè)科學(xué)私人企業(yè)月球快車公司計(jì)劃在2015年采用MX-1月球著陸器開展月球南極探測(cè)［2］；NASA 終止的重返月球計(jì)劃，也曾選擇南極作為月球基地地址［3］；ESA 計(jì)劃發(fā)射月球著陸器于2019年著陸月球南極［4］；俄羅斯計(jì)劃在2015年和2017年分別發(fā)射月球-25（Luna-25）和月球-27（Luna-27）在南極著陸探測(cè)［5］。

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外已開展的相關(guān)工作，對(duì)月球南極著陸區(qū)的關(guān)鍵特性進(jìn)行了分析，包括光照條件、對(duì)地可見和地形地貌等，并對(duì)我國(guó)開展南極探測(cè)任務(wù)規(guī)劃和探測(cè)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了參考建議。

2 南極著陸區(qū)與中低緯度著陸區(qū)關(guān)鍵特性的區(qū)別

與著陸在月球中低緯度地區(qū)不同，南極著陸區(qū)有其獨(dú)有的特性，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）光照條件。以往的月面探測(cè)任務(wù)通常最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間為一個(gè)月晝，約14個(gè)地球日，進(jìn)入月夜后，由于能源及溫度的原因，探測(cè)器無(wú)法繼續(xù)工作。嫦娥三號(hào)探測(cè)器利用攜帶的同位素?zé)嵩矗≧HU），可在月夜休眠期間保證整器溫度，在進(jìn)入月晝后喚醒繼續(xù)工作。而探測(cè)器在南極部分地區(qū)著陸，可以獲得較長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)光照，因此可考慮不攜帶同位素?zé)嵩矗部砷_展較長(zhǎng)時(shí)間（大于14個(gè)地球日）的連續(xù)月面探測(cè)。

（2）對(duì)地可見。探測(cè)器對(duì)地球指向高度角受著陸區(qū)緯度的影響較大，緯度越高，地球高度角越低。以南極點(diǎn)為例，指向地心的地球高度角變化范圍為［-6．5°，＋6．5°］，考慮到復(fù)雜地形遮擋的影響，有效的對(duì)地通信時(shí)間比中低緯度地區(qū)會(huì)明顯縮短。

（3）地形地貌。以往月球著陸區(qū)主要選擇在月海平原（少部分任務(wù)選擇在高地、峽谷或山脈，但盡可能選擇在該區(qū)域內(nèi)相對(duì)平坦的地區(qū)），如嫦娥三號(hào)著陸區(qū)選擇在地勢(shì)較為平坦的虹灣地區(qū)；整個(gè)南極地區(qū)的撞擊坑分布比較密集，且直徑較大，平坦區(qū)域相對(duì)較少，如距離南極點(diǎn)最近的Shackleton 撞擊坑，其直徑為20km，深度約為4km，與南極點(diǎn)距離約為10km。

下面針對(duì)月球南極的光照條件、對(duì)地可見和地形地貌，進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

3 光照條件

由于月球的自轉(zhuǎn)、軌道、地形地貌等原因，南極地區(qū)的光照具有太陽(yáng)高度角低、受地形地貌影響大的特點(diǎn)。月球赤道面與黃道面成1．54°夾角，加上物理天平動(dòng)在緯度方向的影響（0．04°），緯度為88．4°以上的極區(qū)可以有長(zhǎng)時(shí)間的夏天。但由于極區(qū)的地形環(huán)境復(fù)雜，復(fù)雜地形對(duì)太陽(yáng)光照條件影響十分顯著，導(dǎo)致月球極區(qū)存在永久陰影區(qū)（如撞擊坑底部）。由于陽(yáng)光永遠(yuǎn)無(wú)法照射，永久陰影區(qū)里極端低溫，表層和次表層溫度常年維持在40K（-233 ℃）左右；而在海拔比較高的區(qū)域，如撞擊坑的邊沿、山頂、山脊等地區(qū)，往往能得到長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的光照。

南極地區(qū)的太陽(yáng)高度角在一年中變化較小，始終在0°附近。以月球南極附近一點(diǎn)（89．5°S，222°E）為例［6］，給出該點(diǎn)一年中太陽(yáng)高度角的變化情況，如圖1所示。其中：黑色粗實(shí)線表示當(dāng)?shù)厮窖鼋亲兓闆r；彩色虛線表示一年中太陽(yáng)高度角變化情況，藍(lán)色線表示冬季，紅色線表示夏季（由于月球赤道面與黃道面存在夾角，月球南極也會(huì)有四季，主要表現(xiàn)在光照時(shí)間和太陽(yáng)高度角的變化，夏季光照時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)高度角高，冬季光照時(shí)間短，太陽(yáng)高度角低）。在每個(gè)月里，太陽(yáng)從右側(cè)運(yùn)動(dòng)到左側(cè)；隨著月份的變化，曲線由低到高變化，到達(dá)最高曲線以后再?gòu)淖畹颓€開始循環(huán)。當(dāng)太陽(yáng)高度角小于水平仰角時(shí)，陽(yáng)光被遮擋；反之，陽(yáng)光可見。在冬季，陽(yáng)光被連續(xù)遮擋的時(shí)間較長(zhǎng)；在春季或秋季，陽(yáng)光只被較高的山峰遮擋，遮擋時(shí)間較短；在夏季，存在連續(xù)光照。由圖1也可以看出，在（89．5°S，222°E）位置區(qū)域（如撞擊坑邊沿、山頂、山脊等），其水平仰角可能為負(fù)值，這主要是由地形高程變化較大造成的。

圖1 南極（89．5°S，222°E）當(dāng)?shù)氐乃窖鼋桥c太陽(yáng)高度角在一年中的變化情況Fig．1 Local horizon and sun elevation angle over one year of a location at around 89．5°latitude and 222°longitude in south pole

由于南極地區(qū)光照受到地形影響較大，目前主要的分析方法都是采用月球軌道器的激光高度計(jì)高程數(shù)據(jù)，針對(duì)具體位置進(jìn)行光照仿真分析。

3．1 應(yīng)用“輝夜姬”探測(cè)器數(shù)據(jù)的光照分析

文獻(xiàn)［7］利用日本“輝夜姬”（Kaguya）探測(cè)器的激光高度計(jì)數(shù)據(jù)，建立了大范圍的南極地區(qū)高程圖，分辨率分別為500m（＞85°S）和1km（80°S～85°S），區(qū)域形狀是以南極為中心，邊長(zhǎng)為300km 的正方形。對(duì)該區(qū)域內(nèi)的光照條件進(jìn)行了分析，分析時(shí)間設(shè)置為2018年，探測(cè)器高度設(shè)置為2m，短于55h的連續(xù)陰影時(shí)間被濾除。通過(guò)分析，可以得到12個(gè)光照條件較好的區(qū)域作為備選著陸區(qū)，具體如圖2［6］和表1［7］所示。

圖2 南極良好光照條件主選著陸區(qū)和次選著陸區(qū)分布Fig．2 Primary and secondary landing regions with favorable illumination conditions in south pole

表1 南極良好光照條件主選著陸區(qū)和次選著陸區(qū)Table 1 Primary and secondary landing regions with favorable illumination conditions

文獻(xiàn)［7］進(jìn)一步分析了12個(gè)區(qū)域的光照條件，建立了分辨率為200m、單個(gè)區(qū)域大小4km×4km的高程圖。分析結(jié)果表明：①南極地區(qū)永久光照區(qū)是不存在的；②考慮濾除短于55h的陰影，即探測(cè)器可承受最長(zhǎng)55h的連續(xù)陰影時(shí)間，可分析得到南極部分地區(qū)存在6～10個(gè)月的連續(xù)光照；③部分備選著陸區(qū)存在長(zhǎng)時(shí)間的光照，但區(qū)域較小，部分備選著陸區(qū)光照時(shí)間相對(duì)較短，區(qū)域較大，要根據(jù)探測(cè)器能力以及任務(wù)需求進(jìn)一步分析；④光照條件受到探測(cè)器高度（實(shí)際為太陽(yáng)電池陣有效高度）的影響比較顯著；⑤不同年份（2016―2021年）的最長(zhǎng)連續(xù)光照時(shí)間差別較小。

3．2 應(yīng)用“月球勘測(cè)軌道器”數(shù)據(jù)的光照分析

文獻(xiàn)［6］采用“月球勘測(cè)軌道器”（LRO）激光高度計(jì)的數(shù)據(jù)，對(duì)文獻(xiàn)［7］中良好光照條件的區(qū)域建立了高分辨率的數(shù)字高程圖（南極點(diǎn)緯度2°附近地區(qū)分辨率為40 m，其他區(qū)域?yàn)?0 m），并進(jìn)一步分析了光照條件。分析時(shí)間設(shè)置為2019年，探測(cè)器距離月面高度2m，對(duì)小于60h陰影時(shí)間、小于10h光照時(shí)間進(jìn)行濾除。經(jīng)過(guò)分析，CR1、LP1、GR1、SR1、MP1和MP2等地區(qū)具有較好的光照條件，最長(zhǎng)連續(xù)光照時(shí)間為4～9個(gè)月，區(qū)域大小為幾百米量級(jí)，但在該區(qū)域以外，連續(xù)光照時(shí)間迅速縮短，最長(zhǎng)也不大于1個(gè)月，具體如圖3所示，對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系如圖2所示。在連續(xù)光照區(qū)內(nèi)也存在光照時(shí)間較短的區(qū)域間隔，這些區(qū)域主要是直徑60～120 m 的撞擊坑。此外，通過(guò)更改探測(cè)器距離月面的高度發(fā)現(xiàn)，增加探測(cè)器高度可以有效地增加光照時(shí)間。

圖3 南極地區(qū)6個(gè)良好光照區(qū)域的準(zhǔn)連續(xù)光照時(shí)間分布Fig．3 Quasi-continuous illumination period map for the six regions with favorable illumination in south pole

3．3 應(yīng)用嫦娥一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的光照分析

文獻(xiàn)［8］中采用基于嫦娥一號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)建立的數(shù)字高程圖，對(duì)南極地區(qū)的光照條件進(jìn)行了分析。時(shí)間從2000年1月1日到2018年12月31日，通過(guò)分析得到以下結(jié)論。

（1）未發(fā)現(xiàn)永久持續(xù)光照區(qū)。

（2）有長(zhǎng)久陰影區(qū)存在，在大于87．5°S的南極區(qū)域，面積大約為2736km2，長(zhǎng)久陰影區(qū)主要分布在比較大且深的撞擊坑，包括Shoemaker（88．1°S，44．9°E）、Shackleton（89．9°S，110°E）、Faustini（87．3°S，77°E）、Sverdrap（88．5°S，152°W）、de Gerlache（88．5°S，87．1°W）、Cabeus（84．9°S，35．5°W）；其他一些未命名的撞擊坑，主要分布在（87．5°S，0．0°E）、（88．7°S，160°E）、（88．2°S，112°E）、（89．5°S，73°W）。另外，經(jīng)度在30°～90°和180°～300°的小陰影區(qū)是否為低溫區(qū)，還要進(jìn)一步證實(shí)，因?yàn)檫@些區(qū)域容易受到二次光反射及周圍熱能輻射的影響。

（3）在南極的夏季，撞擊坑邊沿高地處有連續(xù)的光照。

根據(jù)以上Kaguya、LRO 和嫦娥一號(hào)數(shù)據(jù)的分析，可以得到以下共性結(jié)論：南極地區(qū)存在永久陰影區(qū)，分布在大撞擊坑內(nèi)；不存在永久光照區(qū)，只存在長(zhǎng)時(shí)間的準(zhǔn)連續(xù)光照區(qū)，主要分布在南極地區(qū)撞擊坑邊沿、山頂、山脊等區(qū)域。

4 對(duì)地可見

由于月球正面始終對(duì)著地球，因此在月球正面赤道及中低緯度著陸的探測(cè)器可一直對(duì)地通信。不考慮地形的情況下，月球白道面與月球赤道面夾角的存在，使得在一個(gè)月球公轉(zhuǎn)周期內(nèi)，當(dāng)?shù)厍蜻\(yùn)行至月球北半球區(qū)域時(shí)，南極地區(qū)與地球的連線會(huì)受到月球本體的遮擋；當(dāng)?shù)厍蜻\(yùn)行至月球南半球區(qū)域時(shí)，南極地區(qū)與地球完全通視，所以探測(cè)器在南極點(diǎn)附近周期性地連續(xù)14d對(duì)地可見，再連續(xù)14d對(duì)地不可見。以南極點(diǎn)為例，對(duì)地心的地球高度角變化范圍為［-6．5°，＋6．5°］，方位角變化范圍為［-8°，＋8°］（高度角和方位角受地面不同深空測(cè)站位置影響較小，誤差約為1°）。

地球同月球南極通信也受地形影響較大。例如，對(duì)MP2地區(qū)的通信條件分析結(jié)果表明，MP2地區(qū)緯度相對(duì)較低，該區(qū)域中的部分地區(qū)對(duì)地可見時(shí)間大于14d，具體如圖4所示［7］，圖中三維坐標(biāo)表示局部地形信息。

圖4 MP2地區(qū)的每月平均可視天數(shù)Fig．4 Duration of average visibility per month for site MP2

如果考慮月面對(duì)地通信最小高度角的限制，通信時(shí)間可能還會(huì)縮短。為了提高通信時(shí)間，通常還可以采用以下幾種方式［9］：探測(cè)器（如著陸器）在月面可通過(guò)月球軌道中繼衛(wèi)星、地球軌道中繼衛(wèi)星、Lagrange點(diǎn)中繼衛(wèi)星、月球中繼站等方式進(jìn)行對(duì)地球轉(zhuǎn)發(fā)通信；探測(cè)器（如巡視器）運(yùn)行至撞擊坑底部，可以采用低頻地面波、光纖通信、類手機(jī)中繼站等方式，轉(zhuǎn)發(fā)給著陸器，再通過(guò)著陸器實(shí)現(xiàn)對(duì)地球轉(zhuǎn)發(fā)通信。

對(duì)幾種通信方式進(jìn)行比較，說(shuō)明如下。

（1）中繼衛(wèi)星通信：月球低圓極軌道中繼衛(wèi)星雖然通信速率較高，但最大的缺點(diǎn)是與探測(cè)器通信時(shí)間較短；而傾斜橢圓軌道中繼衛(wèi)星（類似Molniya軌道）與探測(cè)器通信時(shí)間較長(zhǎng)，并且每顆衛(wèi)星覆蓋率較大（可達(dá)70%）；L1／L2點(diǎn)中繼衛(wèi)星由于距離較遠(yuǎn)，速率較低，與探測(cè)器通信時(shí)間沒有Molniya軌道的長(zhǎng)；地球軌道中繼衛(wèi)星由于軌道高度相對(duì)于地月距離仍是小量，因此對(duì)月球南極地區(qū)觀測(cè)效果提高不顯著。

（2）月面中繼通信：低頻地面波通信速率較低，且受到地形不確定性的影響；光纖通信最大的問(wèn)題是光纖質(zhì)量較大；類手機(jī)中繼站通信的主要問(wèn)題是在月面安放中繼站塔架比較復(fù)雜。

通過(guò)通信方式的比較可知，采用類似Molniya軌道的月球中繼衛(wèi)星，具有較長(zhǎng)的通信時(shí)間和較大的覆蓋率。例如，選擇中繼衛(wèi)星軌道傾角為53．1°，近月點(diǎn)高度為300km，軌道周期為12h，對(duì)于Gerlache撞擊坑南部邊沿的底部，每個(gè)軌道周期具有連續(xù)7h 52min的可見弧段，如圖5所示。

圖5 Molniya軌道上兩顆中繼衛(wèi)星飛過(guò)月球南極地區(qū)Fig．5 View of two relay satellites in Molniya orbit over lunar south pole

5 地形地貌

南極的地形地貌對(duì)著陸安全有較大的影響。文獻(xiàn)［6］中研究表明，坡度大于15°以及粗糙程度（大尺度坡度平面上的凸起或者凹陷，如小尺度的石塊或撞擊坑）大于50cm，都會(huì)對(duì)著陸安全產(chǎn)生影響。盡管對(duì)于月面坡度、撞擊坑、石塊研究開展較早，且相關(guān)文獻(xiàn)較多，但是這些研究都沒有專門針對(duì)南極地區(qū)，且數(shù)據(jù)的分辨率相對(duì)較低，因此近年來(lái)國(guó)外主要通過(guò)LRO 的激光高度計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)坡度進(jìn)行分析，通過(guò)LRO 的相機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)撞擊坑和石塊進(jìn)行分析，其詳細(xì)結(jié)果如下。

5．1 坡度

LRO 激光高度計(jì)的分辨率為5～10m，文獻(xiàn)［6］中主要采用5 m 大小的柵格計(jì)算地形坡度。分析區(qū)域是以高程最高點(diǎn)為圓心、半徑為250m 的圓形區(qū)域。以CR1地區(qū)坡度分布為例，圖6表示不同基線尺度下的坡度分布，大于15°的坡顯示為紅色。對(duì)備選著陸區(qū)坡度相對(duì)于基線的變化以及誤差，如圖7所示。由圖7可以看出，50 m 基線情況下，各區(qū)域內(nèi)平均坡度較小，位于0°～5°之間；在著陸器尺度5m 基線情況下，不同區(qū)域平均坡度相差較大，其中SR1和SR2地區(qū)（即Shackleton撞擊坑邊沿）的坡度要比其他地區(qū)的更加陡峭，最大可以達(dá)到約25°；其他地區(qū)在5°左右。

圖6 坡度分布情況（CR1地區(qū)）Fig．6 Distribution of slope for site CR1

圖7 所有主選著陸區(qū)坡度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比Fig．7 Comparison between mean slopes and standard deviations for all primary landing regions

5．2 撞擊坑

撞擊坑是月面較為普遍的地貌特征。不同尺度的撞擊坑對(duì)著陸安全影響情況不一樣，直徑為4～10m 的撞擊坑主要是粗糙程度影響著陸安全，而直徑大于10m 的撞擊坑主要是坑內(nèi)坡度影響著陸安全。文獻(xiàn)［6］中采用LRO 的相機(jī)圖像對(duì)備選著陸區(qū)的撞擊坑進(jìn)行識(shí)別。以LP1 地區(qū)撞擊坑識(shí)別情況為例，具體見圖8。圖8（a）中紅色圓圈表示識(shí)別出的撞擊坑，共計(jì)3208個(gè)，識(shí)別出的最小撞擊坑直徑為2．4m；圖8（b）表示單位面積（平方千米）內(nèi)，撞擊坑直徑與撞擊坑累計(jì)數(shù)量的關(guān)系曲線（累計(jì)數(shù)量表示大于對(duì)應(yīng)直徑的撞擊坑個(gè)數(shù)）。通過(guò)對(duì)所有備選著陸區(qū)撞擊坑識(shí)別可知，撞擊坑都近似于平衡分布。

圖8 撞擊坑分布情況（LP1地區(qū)）Fig．8 Distribution of craters for site LP1

5．3 石塊

如果探測(cè)器著陸到石塊上，將會(huì)對(duì)著陸安全造成很大的威脅，可能造成探測(cè)器結(jié)構(gòu)的損壞或者使探測(cè)器產(chǎn)生較大角度的傾斜，甚至傾翻。文獻(xiàn)［6］中采用LRO 的相機(jī)圖像對(duì)備選著陸區(qū)的石塊進(jìn)行識(shí)別，像素分辨率為0．6～1．0m，可以識(shí)別出大于2m的石塊；以MP2、SR1和SR2地區(qū)石塊識(shí)別情況為例進(jìn)行分析，具體結(jié)果如圖9所示。其中：圖9（a）表示MP2、SR1和SR2地區(qū)石塊大小與數(shù)量累計(jì)分布的曲線；圖9（b）表示SR1和SR2地區(qū)識(shí)別出石塊的位置。結(jié)果表明：MP2面積約為9km2，共識(shí)別出62個(gè)石塊，最大石塊直徑約為11．1m，50%的石塊直徑大于4．0m；SR1和SR2位于Shackleton撞擊坑的邊沿，大小為4km×2．5km，共識(shí)別出820個(gè)石塊，最大直徑約為18．0m，最小直徑約為1．3m。對(duì)所有區(qū)域識(shí)別的石塊結(jié)果表明，各區(qū)域的石塊分布規(guī)律不一致，石塊都是以石塊群的形式分布，每個(gè)群包括幾十到幾百個(gè)石塊。

圖9 石塊分布情況Fig．9 Distribution of boulders

6 啟示與建議

通過(guò)對(duì)月球南極光照條件、對(duì)地可見及地形地貌研究?jī)?nèi)容的分析，可對(duì)我國(guó)月球南極著陸任務(wù)規(guī)劃和探測(cè)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)得到如下啟示。

6．1 著陸區(qū)選擇

在任務(wù)規(guī)劃方面，與之前的月球中低緯度著陸探測(cè)任務(wù)相比，對(duì)著陸區(qū)的位置選擇、著陸時(shí)機(jī)的選擇要求更為苛刻，如果選擇不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致著陸后光照條件不滿足功率要求無(wú)法工作，或著陸區(qū)地形條件惡劣而著陸失敗。為此，本文提出以下建議。

（1）對(duì)著陸區(qū)的選擇，應(yīng)綜合考慮光照條件、對(duì)地可見、地形地貌及著陸區(qū)大小等多方面因素，連續(xù)光照時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)地直接通信時(shí)間長(zhǎng)、準(zhǔn)連續(xù)光照期內(nèi)陰影時(shí)間短、地形坡度平緩、撞擊坑／石塊少，以及滿足有利條件的備選著陸區(qū)域范圍，大多是優(yōu)選的著陸區(qū)。但是，通常不可能存在各方面條件都有利的區(qū)域，所以要結(jié)合系統(tǒng)能力和任務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行權(quán)衡分析。

（2）Kaguya、LRO 及嫦娥一號(hào)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果一致表明：南極地區(qū)不存在永久光照區(qū)，但是存在長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)光照區(qū)，如SR1、SR2、CR1、MP1、MP2、LP1等地區(qū)，這些區(qū)域可作為主選著陸區(qū)。探測(cè)器可在不攜帶同位素?zé)嵩吹那闆r下開展較長(zhǎng)時(shí)間的科學(xué)探測(cè)，最長(zhǎng)時(shí)間可達(dá)9個(gè)月；為了盡可能增加著陸探測(cè)任務(wù)時(shí)間，著陸時(shí)機(jī)應(yīng)選擇連續(xù)光照期的初期階段。

（3）月球南極地區(qū)光照、對(duì)地可見等受到地形條件影響較大，所以南極地區(qū)高分辨率的影像圖和數(shù)字高程圖對(duì)于著陸區(qū)選擇十分關(guān)鍵，目前國(guó)外主要采用Kaguya和LRO 的激光高度計(jì)數(shù)據(jù)、相機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。我國(guó)可采用嫦娥一號(hào)、嫦娥二號(hào)的數(shù)據(jù)結(jié)合國(guó)外數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

6．2 探測(cè)器設(shè)計(jì)

在探測(cè)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，由于南極的光照條件、對(duì)地可見、地形地貌的特殊性，與之前的月球中低緯度探測(cè)器相比，對(duì)探測(cè)器的電源、測(cè)控，以及制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制等系統(tǒng)提出了較高的要求，本文主要建議如下。

（1）探測(cè)器供電系統(tǒng)：首先，南極地區(qū)太陽(yáng)高度角較低，并且變化較小，為保證整器負(fù)載的需求，就要提高太陽(yáng)電池陣的輸出功率，一方面，可通過(guò)提高光電轉(zhuǎn)換效率實(shí)現(xiàn)，另一方面，可以通過(guò)讓陽(yáng)光垂直入射到太陽(yáng)電池陣，從而最大化輸出功率。因此，太陽(yáng)電池陣的安裝建議采用以下2種方式：①采用體裝太陽(yáng)電池陣，在探測(cè)器本體與月面垂直面的各個(gè)面上均安裝太陽(yáng)電池陣；②太陽(yáng)電池陣安裝在太陽(yáng)翼上，太陽(yáng)翼可圍繞垂直于月面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，南極著陸區(qū)最長(zhǎng)連續(xù)光照時(shí)間受探測(cè)器太陽(yáng)電池陣高度影響很大，太陽(yáng)電池陣越高，光照時(shí)間越長(zhǎng)，所以應(yīng)盡可能提高太陽(yáng)電池陣安裝高度。最后，在連續(xù)光照期內(nèi)，可能存在短期的陰影（約幾十小時(shí)），因此蓄電池的容量應(yīng)盡可能滿足最長(zhǎng)陰影時(shí)間內(nèi)的整器負(fù)載。

（2）探測(cè)器測(cè)控系統(tǒng)：南極地區(qū)與地球直接通信時(shí)間為每個(gè)月連續(xù)的14d，為了增加通信時(shí)間，可以采用遠(yuǎn)月點(diǎn)在南極附近的大橢圓月球軌道中繼衛(wèi)星方式，因此要求探測(cè)器測(cè)控系統(tǒng)具備可與中繼衛(wèi)星和地球通信的能力。

（3）探測(cè)器制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)：南極地區(qū)地形地貌復(fù)雜，具有較大撞擊坑（如Shackleton撞擊坑直徑為20km），而備選著陸區(qū)通常只有百米量級(jí)，為了準(zhǔn)確、安全地著陸到指定的備選著陸區(qū)內(nèi)，制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)要具有高精度的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制能力，特別是需要圖像匹配制導(dǎo)，以及在著陸后期具有較高的自主避障能力。

（4）探測(cè)器有效載荷：越來(lái)越多新的探測(cè)數(shù)據(jù)和研究成果等，明顯支持月球上有水的觀點(diǎn)［10］，而月球極區(qū)的永久陰影區(qū)是最有可能保存水冰的理想場(chǎng)所。所以，探測(cè)器攜帶有水冰原位探測(cè)設(shè)備是科學(xué)探測(cè)比較好的選擇。

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