王 赤，張賢國，徐欣鋒，孫越強,3,4

（1.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.天基空間環(huán)境探測北京市重點實驗室，北京 100190；4.中國科學(xué)院空間環(huán)境態(tài)勢感知技術(shù)重點實驗室，北京 100190）

引 言

1957年10月4日，人類第1顆人造衛(wèi)星“斯普特尼克1號”在前蘇聯(lián)拜科努爾航天中心發(fā)射升空，開啟了人類探索太空的時代。經(jīng)過60 多年的空間探測與研究，人們逐漸認(rèn)識到除陸地、海洋、大氣之外，還存在一個與人類生存和發(fā)展息息相關(guān)的空間環(huán)境[1-4]。空間環(huán)境是指地球表面20～30 km以上到地外天體表面之間區(qū)域范圍內(nèi)各類物質(zhì)的狀態(tài)及演化。

這一廣闊空間環(huán)境中的基本物理過程備受關(guān)注，是當(dāng)代自然科學(xué)最活躍的前沿學(xué)科之一。20世紀(jì)90年代末，是空間物理走向“硬”科學(xué)時代的一個新發(fā)展階段，強調(diào)科學(xué)與應(yīng)用的密切結(jié)合，還產(chǎn)生了專門研究和預(yù)報空間環(huán)境中災(zāi)害性過程的變化規(guī)律，減輕或防止空間災(zāi)害，為人類活動服務(wù)的空間環(huán)境、空間天氣學(xué)科[4]。

空間環(huán)境同時也是航天器故障異常的主要誘因之一，是航天工程應(yīng)用關(guān)注的熱點領(lǐng)域。中高層大氣、空間磁場、電離層、高能帶電粒子、空間等離子體、空間碎片和微流星等空間環(huán)境可導(dǎo)致航天器軌道姿態(tài)非受控改變、通信定位質(zhì)量下降或測控受干擾、總劑量、單粒子、充放電、機械損傷、化學(xué)損傷、電子器件硬軟錯誤等諸多空間環(huán)境效應(yīng)，威脅航天器運行的效能發(fā)揮，乃至減壽或損毀[5-13]。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析表明：因空間環(huán)境因素直接導(dǎo)致的航天器故障（異常）約占總故障數(shù)的40%左右[13]。

空間環(huán)境探測是人類認(rèn)識空間環(huán)境的必要措施[14]。空間環(huán)境研究是以觀測為基礎(chǔ)，多學(xué)科（空間物理、地球物理、大氣物理、等離子體物理等）、多技術(shù)（現(xiàn)代電子、通信和計算機技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等）高度交叉綜合，地面觀測和空間探測的有機結(jié)合，通過全球性的合作探測與研究，以解決人類生存發(fā)展所面臨的環(huán)境問題為宗旨的重大前沿科技領(lǐng)域[15]。空間環(huán)境探測是了解空間環(huán)境狀態(tài)及變化規(guī)律的重要手段，同時也是保障人類空間活動安全的重要數(shù)據(jù)來源[16]。

深空探測作為與地球軌道衛(wèi)星和載人航天并駕齊驅(qū)的航天活動，不僅是空間技術(shù)發(fā)展的必然選擇，更承載了人類探尋宇宙起源和演化、認(rèn)識太陽系、探索地球與生命起源和演化奧秘的夢想[17]。1958年8月17日，美國太空技術(shù)實驗室（Space Technology Labora‐tory，STL）研制的“能力1號”（ABLE 1，后命名為“先鋒0號”，PIONEER 0）太空船自卡納維拉爾角發(fā)射中心發(fā)射升空，直指環(huán)月軌道[18]，拉開了人類深空探測的序幕。

截止2018年底，世界各國已發(fā)射的深空探測任務(wù)達到250 次，其中美國102 次、前蘇聯(lián)和俄羅斯108次、日本13次、歐空局12次、中國7次、德國和印度各2 次，其他國家地區(qū)共4 次[18]，對太陽系內(nèi)包括月球、行星、彗星、太陽等天體進行了探測，飛行最遠的探測器距離地球超過200 億km。通過深空探測，取得了大量科學(xué)探測和技術(shù)成果，拓展了人類對太陽系和宇宙的認(rèn)識，推動了空間技術(shù)的進步和經(jīng)濟社會的發(fā)展[19]。

中國的深空探測起步于月球探測，按照探月工程“繞”“落”“回”三步走的任務(wù)規(guī)劃[20-21]，自2003年啟動探月工程一期研制以來，已經(jīng)成功實施了“嫦娥1號”（CE-1）、“嫦娥 2號”（CE-2）、“嫦娥3號”（CE-3）[22]、“嫦娥4號”（CE-4）月球探測任務(wù)及“嫦娥5T1”飛行試驗器任務(wù)，圓滿完成探月工程一期“繞”和二期“落”的任務(wù)，后續(xù)將擇機實施“嫦娥5號”任務(wù)，完成探月工程三期“回”的任務(wù)。

中國的火星探測計劃開始于2011年發(fā)射的“螢火1號”，是由中國國家航天局與俄羅斯聯(lián)邦航天局合作共同探索火星的項目。2011年11月9日，俄方宣布搭載有“螢火1號”的“福布斯-土壤號”火星探測器變軌失敗。2016年1月，中國正式批復(fù)中國首次自主火星探測任務(wù)，中國火星探測任務(wù)正式立項，并將在2020年左右發(fā)射一顆火星探測器[23]。與此同時，正在論證后續(xù)月球、小天體、火星、木星甚至更遠的深空探測任務(wù)[19,24]。

我國月球及深空空間環(huán)境探測也是隨著我國的深空探測的發(fā)展而發(fā)展起來的，既為推動空間物理和空間天氣科學(xué)研究進展貢獻中國力量，也為我國空間技術(shù)不斷刷新中國距離保駕護航。截止2018年底，我國月球及深空空間環(huán)境探測任務(wù)包括“嫦娥1號”“嫦娥2號”“螢火1號”“嫦娥4號”，在研任務(wù)包括“自主火星”，正在論證的任務(wù)包括后續(xù)探月、木星系探測、小行星探測，主要探測要素包括粒子（等離子體、能量粒子、高能粒子、中子）和物理場（磁場）等要素，主要研究手段包括數(shù)據(jù)分析、基于數(shù)據(jù)的仿真研究、數(shù)據(jù)可視化和基于物理的數(shù)值模擬研究。

1 探測任務(wù)

1.1 “嫦娥1號”“嫦娥2號”

“嫦娥1號”“嫦娥2號”是2 顆三軸穩(wěn)定的繞月極軌衛(wèi)星，分別于2007年10月24日和2010年10月1日發(fā)射，環(huán)月飛行高度為200 km 和100 km，軌道周期為127 min和118 min。空間環(huán)境探測儀由一臺太陽高能粒子探測器（High-energetic Particles Detectors，HPD）和2 臺太陽風(fēng)離子探測器（Solar Wind Ion De‐tectors，SWIDs）由SWIDA/SWIDB 組成，其科學(xué)目標(biāo)是探測月球的空間環(huán)境，研究月球空間的高能粒子和太陽風(fēng)離子的成分、通量、能譜及其時空演化特征，以及太陽活動對月球空間環(huán)境的影響[25-31]。

1）太陽高能粒子探測器

太陽高能粒子探測器由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研制，科學(xué)探測目標(biāo)是探測月球軌道空間的高能質(zhì)子、電子和重離子能譜隨時間的演化特征（具體指標(biāo)見表1，詳見文獻[32]），探測指標(biāo)的設(shè)計主要針對可能誘發(fā)衛(wèi)星單粒子效應(yīng)和衛(wèi)星充電效應(yīng)，威脅衛(wèi)星安全的高能粒子種類和能譜。

表1 HPD技術(shù)指標(biāo)Table 1 Performances of HPD

HPD的傳感器由3片半導(dǎo)體硅探測器組成，帶電粒子在傳感器中以電離方式損失能量，根據(jù)3片半導(dǎo)體硅探測器輸出能量的不同，可區(qū)分粒子成分和能量。HPD安裝在衛(wèi)星頂部，視場方向為朝天向。

2）太陽風(fēng)離子探測器

“嫦娥1號”“嫦娥2號”安裝的太陽風(fēng)離子探測器（SWIDs，SWIDA/SWIDB）由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研制，其科學(xué)探測目標(biāo)是探測月球附近等離子體和月球的相互作用，獲得月球附近太陽風(fēng)的基本特征，包括速度、密度和溫度等。SWIDs 的觀測對象是月球空間0.04～20 keV的離子。其科學(xué)探測結(jié)果主要用于研究月球附近等離子體環(huán)境的特征和月表與太陽風(fēng)等離子體環(huán)境的相互作用。

SWIDs 采用半球形靜電分析器，有12 個探測入口分布在同一扇面內(nèi)平分180°極角，稱為極角P1～P12，每個極角各有48個能量通道，近對數(shù)劃分0.04～20 keV能道寬度，稱為能道C1～C48，每一能道對應(yīng)偏轉(zhuǎn)電壓不同，選通不同能量-電荷比E/Q的離子入射MCP 傳感器。SWIDs 包含2 臺太陽風(fēng)離子探測器，中心視場重合、扇面正交安裝，儀器安裝在朝天面，中心視場朝天（具體指標(biāo)見表2，詳見文獻[32]）。

表2 SWIDs技術(shù)指標(biāo)Table 2 Performances of SWIDs

1.2 “螢火1號”

“螢火1號”火星探測器的主要科學(xué)目標(biāo)是探測研究火星的空間環(huán)境，因此在有效載荷的選擇上主要考慮火星空間環(huán)境磁場及等離子體能譜和質(zhì)譜的探測。其上的等離子體探測包是當(dāng)時國際上先進的等離子體探測器之一，適應(yīng)自旋或三軸穩(wěn)定的衛(wèi)星平臺，對空間等離子體方向分布、能譜和離子質(zhì)量進行探測。高精度磁通門磁強機探測精度為0.01 nT，達到當(dāng)時國際磁通門磁強計的先進水平；星-地掩星接收機與俄羅斯FGSC 福布斯-土壤探測器配合，主要探測火星正午和子夜電離層的電子密度，有望填補火星電離層探測的空白[33-34]。

1）等離子體探測包

“螢火1號”等離子體探測包由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研制，其探測目標(biāo)是近火星空間的等離子體環(huán)境，等離子體探測包探測等離子體的分布函數(shù)、成分等參數(shù)，包括離子的能量、方向分布和成分，電子的能量和方向分布。等離子體探測包采用靜電分析器技術(shù)，在傳感器的壁面加電場對入射的帶電粒子進行方向和能量的分辨。在半球形靜電分析器之后再加上飛行時間（Time of Flight，ToF）系統(tǒng)還可以對離子成分進行分辨[35]。等離子體探測包由離子分析器[36]（I、II）、電子分析器[37]和電子學(xué)箱4 部分組成，具體指標(biāo)如表3所示。

表3 等離子體探測包性能指標(biāo)Table 3 Specifications of plasma package of YH-1

2）高精度磁通門磁強計

中科院國家空間科學(xué)中心研制的“螢火1號”高精度磁強計采用了分立結(jié)構(gòu)的磁通門傳感器。其探測精度達到0.01 nT，重量約為2.5 kg，傳感器重0.25 kg，功耗5 W。性能指標(biāo)（如表4所示）經(jīng)過國外機構(gòu)檢測，達到國際先進水平[38-39]。

表4 “螢火1號”高精度磁強計技術(shù)指標(biāo)Table 4 Specifications of YH-1 fluxgate magnetometer

3）掩星接收機

火星電離層無線電掩星探測的原理是以俄羅斯Rhobos-Grunt探測器上的甚高頻信標(biāo)信號（833 MHz/416.5 MHz）作為掩星探測的無線電信號源，利用“螢火1號”上安裝的接收機進行接收，記錄下被火星電離層遮掩信號的載波相位L1、L2。掩星接收機的主要指標(biāo)如表5所示[40]。

表5 “螢火1號”掩星接收機主要指標(biāo)Table 5 Specifications of YH-1 receiver

1.3 “嫦娥4號”

“嫦娥4號”空間環(huán)境探測主要采用國際合作方式開展，科學(xué)目標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)如表6所示[41-42]，所攜帶的載荷中子與輻射劑量探測儀LND 和中性原子探測儀ASAN性能指標(biāo)如表7～8所示。

表6 “嫦娥4號”空間環(huán)境探測科學(xué)目標(biāo)Table 6 Scientific objectives for the international collaboration payloads onboard CE-4

表7 中子與輻射劑量探測儀主要性能指標(biāo)Table 7 Main specifications of lunar neutron and radiation measuring instrument neutron and radiation measuring instrument

表8 中性原子探測儀主要性能指標(biāo)Table 8 Main specifications of neutral atom detector

1.4 在研任務(wù)

作為我國深空探測計劃的又一個里程碑事件，中國政府于2016年1月對中國首次自主火星探測任務(wù)正式批復(fù)立項，計劃于2020年發(fā)射一顆火星探測器，一次性實現(xiàn)“環(huán)繞”“著陸”“巡視”3個目標(biāo)。中國首次自主火星探測任務(wù)的探測器由一個火星環(huán)繞器和一個火星著陸巡視器構(gòu)成。環(huán)繞探測科學(xué)任務(wù)著眼于對火星全球性和綜合性的探測；著陸巡視器由進入艙和火星車組成，火星車巡視探測科學(xué)任務(wù)著眼于火星局部地區(qū)的高精度就位探測。其科學(xué)目標(biāo)包括5個方面的探測和研究[43]：

1）火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征；

2）火星表面土壤特征與水冰分布；

3）火星表面物質(zhì)組成；

4）火星大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征；

5）火星物理場與內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

其中，第4 與第5 項科學(xué)目標(biāo)與空間環(huán)境探測緊密相關(guān)。為實現(xiàn)上述目標(biāo)，火星環(huán)繞器配置火星磁強計、火星離子與中性粒子分析儀、火星能量粒子分析儀等3類空間環(huán)境探測載荷，火星車上配置火星表面磁場探測儀，具體載荷配置和探測目標(biāo)如表9～10所示[43]。

表9 火星環(huán)繞器空間環(huán)境探測載荷配置Table 9 Payloads of MARS-1 orbiter

表10 火星車空間環(huán)境探測載荷配置Table 10 Payloads of MARS-1 rover

2 探測與分析結(jié)果

迄今為止，我國自主獲取的月球與深空空間環(huán)境的數(shù)據(jù)主要來自“嫦娥1號”和“嫦娥2號”，“嫦娥4號”的數(shù)據(jù)正在分析中。

2.1 近月空間環(huán)境分布規(guī)律

1）高能粒子分布

“嫦娥1號”和“嫦娥2號”HPD探測結(jié)果表明，太陽活動低年，空間環(huán)境相對寧靜時期，月球軌道100～200 km高度空間區(qū)域與ACE衛(wèi)星所在的行星際日-地（月）系統(tǒng)拉格朗日L1點附近的高能質(zhì)子、高能電子、重離子He、C、N、O 的背景流量相當(dāng)，月球的局部磁異常和稀薄大氣對月面以上100～200 km的高能帶電粒子影響很小[26,32]。

CE-1 觀測的質(zhì)子能譜具有冪律譜的分布形態(tài)，并與通常所指具有90%置信度最惡劣的銀河宇宙線質(zhì)子譜相當(dāng)[26]，觀測結(jié)果如圖1所示。

圖1 CE-1在環(huán)月軌道觀測、CREME86計算1 AU處、ACE于L1點觀測高能質(zhì)子能譜比對Fig.1 The spectrums of energetic protons by CE-1 at lunar orbit，CREME86 at 1 AU and ACE at L1

月球附近經(jīng)常觀測到高能電子流爆發(fā)現(xiàn)象，CE-1/HPD探測器的觀測概率是20%，其中持續(xù)幾分鐘的脈沖式事件和持續(xù)時間大于10 min 的事件各占50%，磁尾的磁鞘和邊界層過渡區(qū)是此類事件的多發(fā)區(qū)域[26]，觀測結(jié)果如圖2所示。

圖2 CE-1/HPD觀測到的0.1～2 MeV高能電子爆發(fā)現(xiàn)象20070123）Fig.2 Bursts of 0.1～2 MeV electron event by CE-1/HPD on 20070123

2）太陽風(fēng)等離子體分布

“嫦娥1號”“嫦娥2號”和SWIDs數(shù)據(jù)分析表明，太陽風(fēng)離子分布符合Maxwell分布，可以對SWIDs數(shù)據(jù)用Maxwell 函數(shù)擬合獲得月球附近等離子體參數(shù)。對月球附近和行星際上游太陽風(fēng)離子的速度、密度和溫度比對分析表明，太陽活動低年，空間環(huán)境相對寧靜條件下，月球附近太陽風(fēng)參數(shù)演化與上游太陽風(fēng)保持著相同的時間演化趨勢；二者相比，太陽風(fēng)速度、密度變化不大，溫度有所上升，這可能與月球附近太陽風(fēng)受到壓縮或與月面相互作用加速加熱有關(guān)[44]。

月球在中磁尾穿越磁層頂期間，觀測到顯著的太陽風(fēng)、磁鞘、磁尾等離子體特征，對應(yīng)上述3個等離子體區(qū)域，溫度逐漸上升，密度逐漸下降[45]。

CE/SWIDs 觀測的背景太陽風(fēng)能譜圖（見圖3～4）表明，大部分觀測到的太陽風(fēng)能譜具質(zhì)子H+單峰結(jié)構(gòu)，或質(zhì)子和4He2+雙峰結(jié)構(gòu)，4He2+峰中心能量約是H+峰中心能量的2倍[28,32]。

圖3 CE-1/SWIDs觀測到中磁尾磁層頂穿越過程中等離子體分布變化Fig.3 Plasma distribution evolution during the mid-magnetotail crossing observed by CE-1/HPD

圖4 CE-1/SWID-A觀測得到的太陽風(fēng)離子能譜雙峰結(jié)構(gòu)（20071218）Fig.4 CE-1/SWID-A observational results in solar wind from 02：20 to 04：27 UT on 2007-12-18.

2.2 近月空間環(huán)境與月面相互作用

1）近月空間離子加速現(xiàn)象

王曉棟等[31]利用“嫦娥1號”SWIDS的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了月球晨昏線附近太陽風(fēng)離子經(jīng)月面散射，被對流電場加速的現(xiàn)象（圖5）。這種加速現(xiàn)象多發(fā)生在南北兩極，可導(dǎo)致～200 eV/q 的離子產(chǎn)生600～1 500 eV的能量增加。這種加速機制多發(fā)生在行星際磁場By分量為主的情況下，且對應(yīng)By值的正、負(fù)，其發(fā)生區(qū)域分別在月球的南極、北極。同時這種加速離子經(jīng)E×B進入月球尾跡，為太陽風(fēng)粒子進入月球尾跡提供了一種可能機制。

圖5 CE-1/SWIDB在極區(qū)附近觀測到的離子加速現(xiàn)象。A：SWIDB的幾何姿態(tài)；B：月球在日地月空間的位置；C：SWIDB 1-11極角計數(shù)累計能譜演化，紅色橫線標(biāo)注太陽風(fēng)粒子觀測時段、品紅橫線標(biāo)注被加速離子觀測時段；D：太陽天頂角、SCG坐標(biāo)位置；E：時延后的行星際磁場Fig.5 The observation of orbit 0381 and 0382，when the Moon and the spacecraft were in the interplanetary space.（A）The observation geometry of SWIDB in the selenocentric solar ecliptic（SSE）coordinate system.Sectors in black detected the largest flux of solar wind protons.（B）The location of the spacecraft in the ecliptic plane during observation.（C）The summed E‐t spectrum of all 11 sectors except for the blocked sector 12.Red and pink bars cover the measurements of the solar wind ions and accelerating particles，respectively.（D）The evolution of solar zenith angle（SZA）and selenocentric geographic（SCG）coordinates of the spacecraft.（E）The Bx，By and Bz components of the interplanetary magnetic field（IMF）in GSE coordinate sys‐tem.IMF data in this study are from ACE/MAG at L1 point with shifted time.Gradient gray boxes cover the periods of the spacecraft in the optical shadow

鐘俊等[46-47]利用“嫦娥1號”數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了月球向陽面“載荷”（pickup）離子加速的現(xiàn)象，并對不同行星際條件下的“載荷”離子加速現(xiàn)象進行詳細(xì)分析。結(jié)果表明，行星際磁場Bx為主時，“載荷”離子速度有一個很強的平行磁場分量，行星際磁場By分量的大小影響加速效率，隨著By分量數(shù)值減少，“載荷”離子加速效率下降。鐘俊等[47]同時發(fā)現(xiàn)，行星際磁場By為正情況下，H+進入月球尾跡的深度大于He2+（圖6）。

這些研究結(jié)果對近月等離子體環(huán)境的理解具有重要意義。

2）月球逃逸層H2+存在的證據(jù)

2011年，王曉棟等[48]報道了“嫦娥1號”SWIDs觀測到能譜平行曲線結(jié)構(gòu)（PCs，圖7所示）的事例，被認(rèn)為是首次就位探測到月球逃逸層H2+存在的證據(jù)。王曉棟等對該能譜平行曲線結(jié)構(gòu)進行了詳細(xì)分析，結(jié)果表明，能譜平行曲線離子的能量存在2倍比例關(guān)系，且在速度相空間，平行曲線結(jié)構(gòu)的離子表現(xiàn)出顯著的雙圓環(huán)現(xiàn)象，給出了“載荷”（pickup）粒子中存在m/q=2的離子成分的證據(jù)，即月球逃逸層H2+存在的證據(jù)。

圖6 CE-1/SWIDB數(shù)據(jù)和時延后的ACE行星際磁場數(shù)據(jù)Fig.6 The observation results of CE-1/SWIDB and time-shifted IMF from L1/ACE

3）月面微磁層觀測結(jié)果

圖7 CE-1/SWIDs觀測到的平行曲線結(jié)構(gòu)。A：月球在地月空間的位置；B：SWIDA/B在SSE坐標(biāo)系投影；C：SWIDA和SWIDB全方向累加能譜演化圖；D：太陽天頂角（紅色曲線）、緯度（綠色曲線）和SSE坐標(biāo)經(jīng)度（藍色曲線）/SCG坐標(biāo)經(jīng)度（藍色點線）；E：時間延遲后的L1點ACE觀測的行星際磁場；F：SWIDB的方向譜，縱軸為每一個極角方向的視場方向，紅色加號標(biāo)注能譜雙曲線數(shù)據(jù)Fig.7 Observation of parallel curve（PC）events in orbit 0326.（A）Position of the Moon（closed circle）in the ecliptic plane as seen from the Earth’s north pole.（B）Observation geometries of SWIDA and SWIDB projected in the XY and the XZ plane in the selenocentric solar ecliptic（SSE）frame，in which the Sun locates at the+X direction.The trajectory of the spacecraft in this orbit is drawn to scale.The blue and red arcs represent the latitude coverages where PCs were observed by SWIDA and SWIDB，respectively.Specifically，locations of the spacecraft and FOVs of SWIDA and SWIDB at the time of three（one for SWIDA）observations are shown，with sector 1 and 12 marked.Dark sectors detect PC particles.IMF direction projected on the ecliptic plane is also shown.Following panels show time-dependent parameters.（C）Energy-time（E-t）spectra of（top）SWIDA and（bottom）SWIDB data summed over all 12 sectors each.（D）The solar zenith angle（SZA）（red curve），latitude（green curve）and longitude of the spacecraft in the SSE（blue dashed curve）/selenocentric geographic（SCG）（blue dot‐dashed curve）frames.The blue and red bars cover the time spans of PCs in SWIDA and SWIDB， respectively.（E）The interplanetary magnetic field （IMF）conditions shifted from L1 point measurement （ACE / MAG data）.（F）The directional spectrum of SWIDB data in the meridian plane by integrating over all energy channels.The direction is the instantaneous FOV direction of a sector.The red pluses figure out PC counts.

王曉倩等[49]和崔俊等[50]基于“嫦娥2號”太陽風(fēng)離子探測器數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了月球微磁層（Lunar Magnetic Anomalies，LMA）存在的證據(jù)，“嫦娥2號”中第35、36、37 軌在100 km 高度幸運地穿越了澄海對峙區(qū)（Serenitatis Antipode）附近，SWIDs 觀測到顯著的LMA 特征，即太陽風(fēng)離子密度下降和溫度上升（圖8中陰影區(qū)），這被認(rèn)為是微磁層對太陽風(fēng)的屏蔽作用造成的。這是當(dāng)時月球微磁層存在的第3個公開發(fā)表的觀測證據(jù)，也是其中最顯著最直接的觀測證據(jù)。

圖8 “嫦娥2號”SWIDs觀測到的微磁層存在的證據(jù)Fig.8 The evidence of LMA by CE-2/SWIDs

4）近月高能電子爆發(fā)事件

王馨悅等[25]利用HPD 高能電子數(shù)據(jù)和SWIDs 等離子體數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，高能電子爆發(fā)事件可誘發(fā)環(huán)月衛(wèi)星表面充電，這種充電現(xiàn)象進而導(dǎo)致SWIDs 探測到的等離子體能譜整體抬升，抬升幅度與衛(wèi)星表面充電電位相當(dāng)。

5）磁層對近月空間粒子輻射環(huán)境的屏蔽作用

王潔和秦剛[51]利用“嫦娥1號”HPD高能粒子數(shù)據(jù)對月球軌道的磁層屏蔽效應(yīng)進行了分析研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)月球位于地球磁層內(nèi)時，HPD 6個能道的質(zhì)子通量并沒有發(fā)生顯著減少，結(jié)果表明地球磁層不能為月球軌道附近高能粒子提供顯著的磁屏蔽。對于6個質(zhì)子能道，月球位于地球磁尾與太陽風(fēng)中時，高能質(zhì)子通量差異的百分比上限分別為1.2%、0.07%、1.4%、2.7%、0.29%和1.7%。

高能質(zhì)子通量差異百分比定義如下

其中：i表示能道序號；in和out分別表示磁層內(nèi)外。

2.3 基于實測數(shù)據(jù)的理論和應(yīng)用研究

1）衛(wèi)星和月球表面充電研究

王馨悅等[25]基于CE-1/HPD 探測的高能電子爆發(fā)事件數(shù)據(jù)，進而用電流平衡法對事件期間衛(wèi)星和月表充電現(xiàn)象進行了模擬研究（圖9），結(jié)果表明，高能電子爆發(fā)時段內(nèi)能量電子積分總流量超過1011cm-2時，環(huán)月衛(wèi)星和月球表面充電電位均可達負(fù)上千伏，且月表充電時間尺度比衛(wèi)星表面充電時間小1個量級。

圖9 電流平衡法模擬的環(huán)月衛(wèi)星和月表充電過程Fig.9 Simulation of satellite and Lunar surface charging

石紅等[45]利用CE-1/SWIDs 等離子體數(shù)據(jù)對平靜期近月環(huán)境中的衛(wèi)星表面充電情況進行了估算。根據(jù)2008年6月份的CE-1/SWIDs 數(shù)據(jù)，軌道等離子體溫度在1.8～20 eV 之間，在忽略二次電子發(fā)射、光電子發(fā)射和迎風(fēng)面的情況下，粗略估算太陽風(fēng)等離子體對探測器的充電電位在-7～-70 V 之間，而月球尾跡區(qū)充電現(xiàn)象仍需進一步研究。

2）基于實測數(shù)據(jù)的微磁層模擬研究

Xie 等[52]對CE-2/SWIDs月面微磁層觀測結(jié)果進行了三維Hall-MHD數(shù)值模擬研究，重現(xiàn)了月面磁場異常區(qū)等離子體密度的下降（圖10所示），但這個等離子體空洞可能不是在微磁層內(nèi)，而是2 個磁異常（澄海和雨海）引起的微磁層之間的壓縮區(qū)。研究同時發(fā)現(xiàn)，由于微磁層的空間尺度與離子回旋尺度相當(dāng)，Hall效應(yīng)在微磁層形成過程中發(fā)揮了非常重要的作用。太陽風(fēng)離子可以穿越微磁層的磁層頂，削弱間斷面兩側(cè)的等離子體速度躍變，導(dǎo)致等離子體空泡消失，以及弓激波和磁層頂?shù)暮喜?，而電子被微磁層邊界阻擋。這同時導(dǎo)致了微磁層的不對稱性，等離子體堆積到一側(cè)，而磁場堆積到另一側(cè)。模擬結(jié)果顯示，決定微磁層結(jié)構(gòu)的參數(shù)主要包括太陽天頂角（Sun Zenith Angle，SZA）、磁聲馬赫數(shù)和壓強平衡距離與離子慣性尺度的比例D（=RM/Lpi，SZA 越大，微磁層尺度越大；D足夠大情況下，MMS越小微磁層尺度越大；另一方面，隨著D變小，更多離子可以穿越磁層頂導(dǎo)致弓激波與磁層頂合并，引起微磁層的基本結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

圖10 月面微磁層3D Hall MHD數(shù)值模擬結(jié)果與CE-2實測結(jié)果比對Fig.10 Comparisons between the simulation and the observation of Chang’E-2 on 0037 orbit

3）數(shù)據(jù)可視化

對于深空空間環(huán)境探測中大量、異構(gòu)的復(fù)雜探測數(shù)據(jù)的可視化，我國科學(xué)家進行了大量有益的探索。毛凱憨等[53]、Zhang 等[54-55]和熊繼新等[56]提出的數(shù)據(jù)可視化分析技術(shù)能夠快速提取粒子通量的分布、演化特征，實現(xiàn)對大規(guī)模粒子分布數(shù)據(jù)的可視化分析。并在此基礎(chǔ)上設(shè)計實現(xiàn)的可視化輔助分析系統(tǒng)（圖11～12）充分整合了數(shù)據(jù)瀏覽、比較、三維可視及渲染和分析時所需要的多種信息，大大提高了對大規(guī)模粒子數(shù)據(jù)的分析效率。

圖11 嫦娥HPD數(shù)據(jù)可視化輔助分析系統(tǒng)Fig.11 Quick-plot system for CE/HPD data analyzing

圖12 “嫦娥”SWIDs數(shù)據(jù)可視化輔助分析系統(tǒng)Fig.12 Quick-plot system for CE/SWIDs data analyzing

3 我國月球及深空空間環(huán)境探測展望

1）與規(guī)劃任務(wù)相關(guān)的深空空間環(huán)境問題

我國的深空探測已經(jīng)成功實施了“嫦娥1號”“嫦娥2號”“嫦娥3號”“嫦娥4號”月球探測任務(wù)及“嫦娥5號”飛行試驗器任務(wù)，圓滿完成探月工程一期“繞”和二期“落”的任務(wù)，后續(xù)將擇機實施“嫦娥5號”任務(wù)，批復(fù)立項了中國首次自主火星探測任務(wù)，預(yù)計在2020年左右發(fā)射一顆火星探測器，與此同時，正在論證后續(xù)月球、小天體、火星、木星甚至更遠的深空探測任務(wù)。

空間環(huán)境探測作為科學(xué)探索和航天工程環(huán)境適應(yīng)能力提升的主要數(shù)據(jù)獲取手段，其關(guān)注的科學(xué)問題理應(yīng)與我國月球與深空探測任務(wù)的實施一致，主要包括：①月塵遷移、微磁層分布與成因、月面物質(zhì)成分及其與地球太陽風(fēng)關(guān)聯(lián)關(guān)系等問題；②行星際物質(zhì)的主要成分及其傳播特性；③太陽風(fēng)與火星、木星、其他天體的相互作用機制，以及各自磁層特性；④太陽活動、日冕物質(zhì)拋射事件和能量粒子事件在其中發(fā)揮的作用；⑤火星、木星大氣層的結(jié)構(gòu)、輻射環(huán)境及其對行星際空間環(huán)境擾動的響應(yīng)過程和機理；⑥太陽系天體有機物、水分子蹤跡以及中性成分逃逸的過程和機理。

2）載荷技術(shù)發(fā)展建議

我國深空探測起步晚，但起點高，對應(yīng)國際發(fā)展態(tài)勢以及我國深空探測規(guī)劃，載荷技術(shù)的發(fā)展應(yīng)滿足以下幾點需求。

（1）提升宏觀探測能力，加強遙感成像探測技術(shù)

受運載能力限制，深空探測資源十分寶貴，消耗最少資源獲取最豐富觀測信息是大的發(fā)展趨勢，遙感成像載荷，可以一次性獲取市場范圍內(nèi)宏觀尺度等離子體、磁場分布信息，XEUV成像技術(shù)、中性原子成像技術(shù)等正在成為國際深空空間環(huán)境探測的主流載荷。

（2）提升微觀探測能力，發(fā)展輕小型化多要素綜合探測技術(shù)

磁場、成分、能譜、投擲角等原位探測要素是深空空間物理現(xiàn)象微觀分析的必要要素，時、空變化尺度跨度大，必須同時同地探測才能深入物理現(xiàn)象本質(zhì)，限于深空探測平臺能力，需發(fā)展輕小型多要素綜合探測技術(shù)。

（3）提升長周期多目標(biāo)探測能力，發(fā)展長壽命、大動態(tài)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)技術(shù)

深空探測任務(wù)周期長、一次性到訪目標(biāo)多樣，對探測載荷的長壽命、大動態(tài)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力提出了新的、更高需求。

（4）提升有效數(shù)據(jù)獲取效率，發(fā)展星上載荷智能化數(shù)據(jù)處理技術(shù)

數(shù)據(jù)傳輸也是深空探測任務(wù)的難點之一，同時受距離限制載荷通訊控制無法實時，因此減少無效數(shù)據(jù)回傳、提升載荷自主應(yīng)對能力是今后深空探測載荷發(fā)展趨勢之一，星上智能化數(shù)據(jù)處理是有效解決手段之一。

3）與實測數(shù)據(jù)配合的理論、模擬和應(yīng)用分析研究

科學(xué)創(chuàng)新和應(yīng)用能力提升是空間環(huán)境探測的最終目標(biāo)，二者相輔相成是航天強國道路上前進的推動力。

數(shù)值模擬是對新的探測現(xiàn)象進行合理解釋、理論研究取得創(chuàng)新進展的重要手段之一，自主探測、原創(chuàng)創(chuàng)新、兼顧國際合作是我國深空探測必須堅持的發(fā)展之路。因此，必須加強與探測配合的理論和數(shù)值模擬研究能力。

深空探測存在許多未知，空間環(huán)境探測和應(yīng)用研究是提升我國航天工程空間環(huán)境適應(yīng)能力的基礎(chǔ)。提前布局和發(fā)展應(yīng)用能力是從容應(yīng)對深空探測空間環(huán)境威脅的重要前提。

4 結(jié)束語

深空探測承載著人類航天技術(shù)發(fā)展、探索宇宙奧秘、尋找地外生命和宜居地的重任，成為各航天強國關(guān)注的熱點。我國月球與深空探測起步晚，但起點高，正在追趕并努力實現(xiàn)并跑到領(lǐng)先。空間環(huán)境探測，既承載了人類對科學(xué)未知不斷探索的好奇心，也擔(dān)負(fù)著支撐空間技術(shù)、空間應(yīng)用發(fā)展的重要任務(wù)。通過“嫦娥1號”“嫦娥2號”裝載的高能粒子探測器、太陽風(fēng)離子探測器獲得的近月空間環(huán)境第一手?jǐn)?shù)據(jù)，重新認(rèn)識了近月空間環(huán)境粒子分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了太陽風(fēng)離子加速現(xiàn)象、高能電子爆發(fā)事件、月球逃逸層He2+存在證據(jù)、微磁層的存在等現(xiàn)象，利用事例分析、數(shù)值模擬等手段提出了自己的理論認(rèn)識，為我國月球與深空空間環(huán)境探測奠定了基礎(chǔ)、積累了經(jīng)驗、培養(yǎng)了優(yōu)秀的科學(xué)家團隊。

目前，人類首次實現(xiàn)月背著陸的“嫦娥4號”正利用國際合作載荷源源不斷地獲取新的、高精度空間環(huán)境數(shù)據(jù)，其探測結(jié)果的研究發(fā)現(xiàn)必將為國際深空探測的發(fā)展做出獨特的重要貢獻。

我國自主火星探測已做好了準(zhǔn)備，探月后續(xù)任務(wù)、小行星、木星系以及更遠深空的探測計劃必將極大促進對月球與深空的空間環(huán)境的認(rèn)知。