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        月球極區(qū)探測(cè)的主要科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題研究

        2020-09-27 08:31:38吳偉仁于登云劉繼忠唐玉華鄒永廖馬繼楠周國(guó)棟盧亮亮
        深空探測(cè)學(xué)報(bào) 2020年3期
        關(guān)鍵詞:極區(qū)水冰陰影

        吳偉仁,于登云,王 赤,劉繼忠,唐玉華,張 熇,鄒永廖,馬繼楠,周國(guó)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(guó)科學(xué)院 國(guó)家空間科學(xué)中心,北京 100190;4. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)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(cè)的首選目標(biāo)。人類已先后實(shí)施了約118次探測(cè)活動(dòng),先后有20多個(gè)探測(cè)器實(shí)施了月球正面探測(cè)。2019年,我國(guó)的“嫦娥4號(hào)”任務(wù)實(shí)現(xiàn)了月球背面首次探測(cè)。近年來(lái),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(jià)值和研究意義重大,正成為國(guó)際月球探測(cè)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(lái),歐洲航天局(European Space Agency,ESA)提出了月球南極探測(cè)計(jì)劃,在月球南極建立“月球村”;俄羅斯也制定了月球南極探測(cè)規(guī)劃,擬通過(guò)“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(hào)”(Chandrayaan-2)在南極著陸失敗后,又計(jì)劃在2021年前后發(fā)射“月船3號(hào)”(Chandrayaan-3)任務(wù),再次進(jìn)行南極著陸探測(cè);美國(guó)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(jì)劃,要不惜一切代價(jià)在2024年實(shí)施月球南極登陸,并明確提出要主導(dǎo)國(guó)際探測(cè)的新格局。中國(guó)學(xué)者早在2012年就針對(duì)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(cè)已成為航天大國(guó)競(jìng)相搶占的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

        開展月球極區(qū)探測(cè),首先需要關(guān)注的是兩個(gè)方面:一是月球極區(qū)需重點(diǎn)關(guān)注哪些科學(xué)問(wèn)題;二是亟需突破和解決哪些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,才能到達(dá)月球極區(qū)并實(shí)現(xiàn)科學(xué)探測(cè)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(lái)中國(guó)月球極區(qū)探測(cè)項(xiàng)目實(shí)施。

        1 極區(qū)探測(cè)的主要科學(xué)問(wèn)題

        根據(jù)“嫦娥2號(hào)”(Chang'E-2,CE-2)探測(cè)器獲取的高分辨率全月圖和美國(guó)“月球勘測(cè)軌道器”(Lunar Reconnaissance Orbiter,LRO)長(zhǎng)時(shí)間探測(cè)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(gè)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(zhǎng)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(wèn)題,主要包括月球水冰及揮發(fā)組分來(lái)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(guò)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(lái)源與分布

        關(guān)于月球水和揮發(fā)組分的學(xué)術(shù)爭(zhēng)論主要在兩個(gè)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(wèn)題,涉及月球“干濕論”之爭(zhēng)、月球的起源與演化、巖漿洋理論體系等重大科學(xué)問(wèn)題,其中月壤中的揮發(fā)組分還涉及漫長(zhǎng)的月球演化歷史中,太陽(yáng)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(lái)月球資源開發(fā)利用的重要對(duì)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(lái)源的科學(xué)問(wèn)題,而這一問(wèn)題盡管目前理論上和間接測(cè)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(cè)量證據(jù)及其賦存狀態(tài)、含量、分布、來(lái)源等都沒(méi)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(lái)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(wèn)題一直是國(guó)際學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)和未來(lái)工程任務(wù)的探測(cè)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(píng)估未來(lái)資源的重要場(chǎng)所。由于之前的探測(cè)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(wú)法從根本上解決上述系列問(wèn)題。

        圖1 月球水和揮發(fā)分的來(lái)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(shí)對(duì)永久陰影區(qū)原位直接測(cè)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(lái)源,而且可通過(guò)原位測(cè)量結(jié)果與全月面永久陰影區(qū)遙感探測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析,從而獲取月球陰影區(qū)水冰的分布、含量,評(píng)估其儲(chǔ)量及其未來(lái)戰(zhàn)略資源開發(fā)利用價(jià)值,再結(jié)合月球樣品中水和揮發(fā)組分的實(shí)驗(yàn)室精細(xì)測(cè)試分析和研究,不但對(duì)解決上述系列科學(xué)問(wèn)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(shì)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(lái)[11]。因此對(duì)月球南極區(qū)域的探測(cè),獲取該區(qū)物質(zhì)成分特別是來(lái)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(duì)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(jià)值。由于尚無(wú)法通過(guò)遙感手段直接獲得準(zhǔn)確的深部物質(zhì)成分,也沒(méi)有采集到月球深部的巖石樣品,目前對(duì)月球深部物質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性的認(rèn)識(shí)主要來(lái)自早期月震、月球重力場(chǎng)的探測(cè)和理論模型反演的結(jié)果。月震的探測(cè)僅限于Apollo時(shí)期在月球正面布置的幾個(gè)觀測(cè)點(diǎn)[12],特別是由于阿波羅時(shí)代的地震儀性能的局限性,對(duì)月球全球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究結(jié)果越來(lái)越多地受到質(zhì)疑,如阿波羅時(shí)代得出的探測(cè)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(guò)著陸與巡視就位探測(cè),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(chǎng)地(圖2)。

        利用探測(cè)器對(duì)該區(qū)物質(zhì)成分進(jìn)行精細(xì)的就位探測(cè)和月震的長(zhǎng)期連續(xù)測(cè)量,結(jié)合月球返回樣品的實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(zhǎng)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(yáng)系早期普遍和重要的事件,對(duì)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(zhǎng)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(yáng)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(duì)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(chǎng)所(圖3),而且是研究太陽(yáng)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(jì)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(duì)揭示目前困擾學(xué)術(shù)界關(guān)于太陽(yáng)系40億年前后為撞擊高峰期的科學(xué)問(wèn)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(duì)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(duì)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(cè),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(cè)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(guò)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(wèn)題,而且也是未來(lái)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(chǎng)、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(guò)程,主要有太陽(yáng)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(dòng)力學(xué)過(guò)程、帶電粒子與月面物質(zhì)的作用等(圖4)。這些過(guò)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(chǎng)等地質(zhì)條件。只有在月面開展原位測(cè)量,才能深入了解其本質(zhì)。開展對(duì)月球環(huán)境的探測(cè)和研究,有助于人類進(jìn)一步認(rèn)識(shí)月球與太陽(yáng)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(dòng),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(guò)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(cè)數(shù)據(jù),有助于了解太陽(yáng)風(fēng)、磁尾等離子體與月表相互作用的過(guò)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(yáng)活動(dòng)和月面地質(zhì)條件的關(guān)系,結(jié)合月表電磁場(chǎng)的探測(cè),研究太陽(yáng)風(fēng)與月表磁場(chǎng)的相互作用機(jī)理;通過(guò)對(duì)月表帶電塵埃的探測(cè),結(jié)合等離子體參數(shù)的探測(cè),有助于研究著陸區(qū)局部月面電場(chǎng)及其對(duì)月塵動(dòng)力學(xué)過(guò)程的影響,確定月表電場(chǎng)的分布以及塵埃等離子體遷徙的規(guī)律,研究月表電場(chǎng)以及塵埃懸浮和輸運(yùn)的機(jī)制;通過(guò)探測(cè)月球表面粒子輻射環(huán)境,與電場(chǎng)儀探測(cè)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(guò)月球附近等離子體、高能帶電粒子、電磁場(chǎng)的觀測(cè),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(gè)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(lái)月球科研站的重要戰(zhàn)略資源。月球幾乎沒(méi)有大氣,太陽(yáng)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(zhǎng)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(chǔ)量高達(dá)500萬(wàn)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(wàn)年[21-22],是未來(lái)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(duì)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(yàn),可為未來(lái)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(wèn)題

        要解決月球極區(qū)的上述主要科學(xué)問(wèn)題,不僅需要采用月球環(huán)繞探測(cè),還需要開展月球極區(qū)著陸、巡視或飛躍等多種探測(cè)活動(dòng)。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(cè)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(zhǎng)期能源供給、多目標(biāo)測(cè)控通信、資源開發(fā)利用、極端環(huán)境下長(zhǎng)壽命、地面試驗(yàn)驗(yàn)證等多項(xiàng)技術(shù)[22-24]。

        2.1 極區(qū)精細(xì)勘察

        月球的極區(qū),并沒(méi)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(yáng)高度角很低,目前的光學(xué)遙感探測(cè)效果并不好,激光、微波等方式獲得的探測(cè)結(jié)果往往分辨率也不夠高。因此,目前對(duì)極區(qū)的地貌環(huán)境的探測(cè)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(cè)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(cè)和后續(xù)資源開發(fā)利用,需要對(duì)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(duì)極區(qū)精確勘察是一個(gè)需要優(yōu)先突破的技術(shù)難題。

        對(duì)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(cè)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(yáng)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(cè)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(cè)器著陸后處于無(wú)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(cè)必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。

        我國(guó)“嫦娥3號(hào)”“嫦娥4號(hào)”任務(wù)實(shí)現(xiàn)的軟著陸探測(cè),基本是依靠慣性導(dǎo)航加對(duì)月測(cè)距測(cè)速和局部地形識(shí)別避障的方式。其中軌道傾角控制偏差、主發(fā)動(dòng)機(jī)推力偏差會(huì)給著陸精度帶來(lái)較大的影響,一般著陸精度在千米量級(jí)[27]。而在極區(qū)著陸則需要保證百米量級(jí)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(guò)圖像導(dǎo)航的方式,不斷預(yù)報(bào)落點(diǎn)偏差,通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)推力實(shí)現(xiàn)落點(diǎn)偏差修正;在著陸末段,通過(guò)圖像識(shí)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(guò)先在月面設(shè)置無(wú)線電信標(biāo),然后著陸器著陸過(guò)程與信標(biāo)通信,實(shí)時(shí)獲取相對(duì)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(cè)器著陸到較接近的區(qū)域,開展聯(lián)合探測(cè)。

        圖5 圖像匹配導(dǎo)航過(guò)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(yáng)高度角較低和坑壁的遮擋,使其終年處于無(wú)光照的條件。目前,利用LRO和“月亮女神號(hào)”月球探測(cè)器的(SELenological and ENgineering Explorer,SELENE)的探測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)月球南北極可能存在的永久陰影坑有了較好的預(yù)測(cè)[28],但由于陰影坑惡劣的條件,使人類的探測(cè)器還未能涉足開展就位探測(cè)。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(wèn)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(cè)器到達(dá)陰影區(qū),開展原位精細(xì)探測(cè)。

        圖6 月球南極具有多個(gè)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(dòng);第二,陰影坑內(nèi)部,沒(méi)有光照,著陸時(shí)無(wú)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(dòng)照明技術(shù),而陰影坑內(nèi)部物質(zhì)對(duì)激光和可見(jiàn)光的反照率存在不確定性,也給導(dǎo)航敏感器的設(shè)計(jì)帶來(lái)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(huì)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(huì)有所不同,這對(duì)于著陸緩沖以及著陸后的鉆取等工作也會(huì)帶來(lái)很大的困難;第四,永久陰影區(qū)內(nèi)部,由于常年沒(méi)有太陽(yáng)輻射,其內(nèi)部溫度可能低至約40 K[30],探測(cè)器面臨的是無(wú)光照和極寒的溫度邊界。

        圖7 月球探測(cè)輻射計(jì)測(cè)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(cè)器,也許可有效克服傳統(tǒng)的巡視探測(cè)無(wú)法到達(dá)撞擊坑內(nèi)的問(wèn)題。飛躍探測(cè)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(guò)表面移動(dòng)或飛躍,對(duì)可能存在水冰的區(qū)域開展原位多點(diǎn)探測(cè)。但是,研制飛躍探測(cè)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(cè)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(dòng)緩沖/移動(dòng)機(jī)構(gòu)等技術(shù)。

        2.4 長(zhǎng)期能源供給

        月球極區(qū)在光照區(qū),太陽(yáng)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(méi)有太陽(yáng)能可以利用。這些均給極區(qū)探測(cè)器能源的供給帶來(lái)更大挑戰(zhàn)。盡管如此,太陽(yáng)能仍是必須有效利用的最主要的能源,而且采用太陽(yáng)帆板豎立并跟蹤太陽(yáng)的方式,應(yīng)盡量提高太陽(yáng)入射角度,以獲得有效的發(fā)電能力;同時(shí),同位素?zé)嵩?、同位素電源,作為提供熱能和電能的有效手段,在極區(qū)探測(cè)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(zhǎng)期探測(cè),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(yáng)輻射入射角和月表有效太陽(yáng)輻照度的時(shí)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(zhǎng)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(wú)線能量傳輸技術(shù)等。

        2.5 多目標(biāo)測(cè)控通信

        月球極區(qū)探測(cè)可以采用中繼星、軌道器、著陸器、飛躍探測(cè)器和巡視器等多個(gè)探測(cè)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(gè)工作在環(huán)月軌道和月面的探測(cè)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(dòng)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(duì)地通信的區(qū)域,對(duì)地可見(jiàn)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(cè)控資源有效地對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行操作和管理,對(duì)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(lái)月球極區(qū)探測(cè)工程實(shí)施必須面對(duì)和解決的全新課題。

        圖9 極區(qū)對(duì)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(cè)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(shí)支持能力等,綜合通信量、可見(jiàn)弧段、資源需求等給出優(yōu)化的設(shè)計(jì)。同時(shí)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(cè)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(shuō)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(cè)地球、監(jiān)測(cè)地外天體的一個(gè)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(yáng)系、地月系的演化過(guò)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(cè)和開發(fā)手段。例如用于對(duì)地球進(jìn)行宏觀觀測(cè)的望遠(yuǎn)鏡、輻射計(jì)、用于月球深部結(jié)構(gòu)探測(cè)的月震儀、用于稀有氣體提取的試驗(yàn)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(zhǎng)壽命

        未來(lái)月球極區(qū)探測(cè)通常要考慮建立月球科研站或月球基地,開展長(zhǎng)期持續(xù)探測(cè)。因此,相比于以往探月工程任務(wù),探測(cè)器的壽命可能需大幅增加至8~10年,探測(cè)器將面臨月球極區(qū)極端環(huán)境下長(zhǎng)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(zhǎng)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(tái),亟需開展極端環(huán)境下長(zhǎng)壽命相關(guān)研究工作。

        極端環(huán)境下長(zhǎng)壽命技術(shù)研究,應(yīng)以長(zhǎng)壽命執(zhí)行機(jī)構(gòu)、高可靠元器件為研究對(duì)象,針對(duì)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(guò)多源數(shù)據(jù)融合,開展可靠性評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)和質(zhì)量一致性控制與評(píng)價(jià)等數(shù)據(jù)利用技術(shù)研究,形成支持后續(xù)月球探測(cè)器高可靠性長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)的工程平臺(tái)。重點(diǎn)突破月球探測(cè)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(hào)應(yīng)用,優(yōu)化數(shù)據(jù)項(xiàng)識(shí)別、采集、傳遞和管理模式,充分提取和利用研制試驗(yàn)數(shù)據(jù)和已有探測(cè)器產(chǎn)品數(shù)據(jù),針對(duì)極低溫、微重力等特殊環(huán)境,建立數(shù)據(jù)融合、可靠性評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)、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(shí)別和改進(jìn)設(shè)計(jì)。

        2.8 地面試驗(yàn)驗(yàn)證

        為確保探測(cè)器在軌可靠工作,必須研究地面試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù),實(shí)現(xiàn)地面驗(yàn)證的充分和有效。對(duì)于極區(qū)探測(cè)器,相對(duì)“嫦娥3號(hào)”“嫦娥4號(hào)”已經(jīng)形成的試驗(yàn)方法和具備的地面驗(yàn)證條件[35](見(jiàn)圖11),主要應(yīng)補(bǔ)充的試驗(yàn)技術(shù)研究主要體現(xiàn)在4個(gè)方面。

        一是深冷低溫環(huán)境下探測(cè)器的生存試驗(yàn),需要模擬陰影坑內(nèi)部40 K左右的溫度邊界,考察探測(cè)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(yàn)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(yàn)證。不同的溫度條件,不同的水冰含量,不同的月壤顆粒級(jí)配,對(duì)月壤的鉆取力學(xué)特性有較大影響。為驗(yàn)證探測(cè)器在陰影坑內(nèi)的取樣能力,必須在地面對(duì)取樣裝置開展相應(yīng)的模擬試驗(yàn),獲取鉆取機(jī)構(gòu)與月壤相互作用的特性。同時(shí),為盡量保證取樣過(guò)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(yàn)證技術(shù)的攻關(guān)。

        三是羽流與探測(cè)器、與月壤的相互作用的試驗(yàn)驗(yàn)證。發(fā)動(dòng)機(jī)工作,羽流會(huì)對(duì)探測(cè)器、月面形成力、熱、污染等作用[36]。不同的探測(cè)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(yàn)技術(shù),模擬真實(shí)在軌環(huán)境,獲得盡量真實(shí)的測(cè)量結(jié)果,以支持在軌程序的優(yōu)化。

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

        圖11 著陸地面試驗(yàn)場(chǎng)Fig. 11 Ground test site for lunar landing

        3 結(jié)束語(yǔ)

        開展月球極區(qū)探測(cè),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(wèn)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(xiàng)技術(shù),既是解決月球極區(qū)主要科學(xué)問(wèn)題的必要手段,也是實(shí)現(xiàn)我國(guó)空間技術(shù)跨越發(fā)展的重要途徑。

        本文結(jié)合當(dāng)前國(guó)際月球科學(xué)問(wèn)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(cè)的主要科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題,旨在為后續(xù)開展研究、引領(lǐng)月球探測(cè)可持續(xù)發(fā)展拋磚引玉。

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