2008年10月，是我国嫦娥一号卫星稳定在轨运行一周年。早在2008年年初嫦娥一号月球探测工程首战告捷时，我国月球探测二期工程就已正式立项。二期工程是一期工程的深化和突破，它的实施将实现我国月球探测工程的跨越式发展和月球科学研究的重大突破。

 

与月球探测一期工程实施探测器绕月探测所不同的是，二期工程最关键的是要把探测器直接送到月球上，对月球进行直接的、零距离的触摸。

 

我国月球探测二期工程既是一期工程的延伸与拓展，更是一期工程的深化与跨越。通过二期工程的开展，不仅可以获得高精度的新的月球探测数据，增加我国科学工作者对月球的进一步了解，取得更加丰硕的月球探测技术成果，推动我国对月球科学研究的进一步深化，获得一批自主创新的月球科研成果，而且可以使我国月球探测相关技术实现新的突破，使我国掌握开展深空探测所需要的一系列关键技术，建立起较为完整配套的深空探测工程体系，建立设计、生产、试验系统和研究、应用体系，培养一支高素质的人才队伍，为进一步的深空探测科学研究和航天活动奠定坚实的技术、物质和人才基础，带动相关产业发展并促进科学技术进步。因此，我国月球探测二期工程的开展，无论对于促进月球探测科学研究的深入还是促进深空探测技术的发展，都具有十分重要的科学和应用意义。

 

特别需要指出的是，我国通过月球探测工程的开展和任务的完成，掌握地月转移轨道发射技术；突破月球软着陆技术（主要有软着陆自主导航与控制技术，软着陆缓冲技术、推进技术等）；突破月面巡视与控制技术（主要有月面巡视移动技术、月面巡视的导航与控制技术）；突破深空测控通信技术（主要有建立高精度大口经天线深空测控站，突破高精度测定轨技术）；突破轻小型化技术；掌握科学探测多源数据处理、解译应用技术；试验月夜生存技术、先进热控技术、同位素能源与电源技术以及机构的润滑与密封技术等。这些新技术不仅可以应用于其他航天工程，还可直接二次开发应用于其他民用领域，包括：增强天文观测能力；提高我国自动化智能机器人水平；发展可应用于医学、工业制造、国防工业的人工智能和自主控制技术；促进微电子、微机械的发展。这些技术创新将促进我国工业技术创新和国民经济发展，为建设创新型国家提供技术手段。

 

 

我国月球探测工程首席科学家欧阳自远院士在阐述月球探测二期工程科学目标时指出：我国月球探测二期工程将是一期工程的跨越式发展，探测对象由“面”向区域性的“点、面、内部”一体化的综合性探测，探测方式是月球软着陆探测和月面巡视勘察。

 

通过对美国与苏联在这一阶段进行月面软着陆探测科学目标的分析，我国科学家认为，前苏联和美国的月球软着陆就位探测与月球车巡视勘察存在的不足之处是：基本上是为月面软着陆、月球车巡视勘察和取样返回的纯工程目标提供科学资料；月球软着陆就位探测与月球车巡视勘察是各自独立开展，二者没有有机结合，因而月球车勘察的科学目标与软着陆的探测目标十分雷同。

 

在综合分析与总结美国与前苏联月球软着陆就位探测，与月球车巡视勘察的科学目标、有效载荷配置、关键技术与研究成果的基础上，进一步结合月球探测的发展趋势与我国的科技能力，我国科学家建议月球软着陆就位探测和月球车巡视勘察总体科学目标的优选原则为：有限目标、重点突破、承前继后，循序渐进、持续发展；科学上有创新，技术上有突破，探测上有特色，成果上力争领先。

 

我国科学家认为，月球探测二期工程将通过对着陆区和巡视区的区域性精细探测，实现对月球的地形地貌、地质构造、物质成分、矿产与能源等资源、日－地－月空间环境与月基天文观测等综合科学探测任务。我国科学家在广泛论证调研的基础上，初步提出了二期实施“月球软着陆与月球车巡视勘察”的四项总体科学目标：

 

1． 球形貌与地质构造调查

 

实施着陆区和巡视区月表形貌和地质构造调查，通过调查，获得月表形貌、地质构造、月壳结构、撞击坑和月壤厚度的数据，建立区域月貌与地质演化模式，深化月球探测一期工程的探测与研究成果。探测内容主要包括探测区的月表形貌探测与地质构造分析，探测区撞击坑的调查与研究，探测区的月壤特性、厚度与月壳浅层结构探测等三个方面。

 

2． 表物质成分和可利用资源调查

 

月球物质成分是了解月球演化历史的关键。同地球科学一样，月球科学最为基础的工作是获取月球的化学成分、矿务组成、岩石类型及其分布规律。月球蕴藏着丰富的矿产和能源资源，开发和利用月球资源是人力进行月球探测的源动力之一。探测内容主要包括探测区矿物组成与化学成分的就位分析，和探测区矿产和能源资源调查等。

 

3．月球内部的结构研究

 

月球内部结构是研究月球形成和演化历史的基础。探测月震和小天体引起的月震波可以反演月球的内部结构。月球轨道参数的精确测量是研究月球动力学的基本手段，通过月球动力学模型的研究可以了解月球的内部结构。探测内容主要包括月震与小天体撞击的记录与研究、月球轨道参数的精确测量与月球动力学研究等。

 

4．日－地－月空间环境探测与月基天文观测

 

日－地－月空间环境是影响人类生存与发展的重要因素。太阳耀斑和日冕物质抛射会释放出巨大的能量和物质，制约着地球空间的月表环境，对人类健康和航天活动造成重要影响。月球表面进行日－地－月空间环境探测和月基光学天文观测，具有干扰小、无屏蔽、可长时间连续观测等优势。由于地球空间环境的影响，甚低频段的探测一直在地面无法实现，月球表面是科学家开展甚低频射电探测梦寐以求的场所。探测内容主要包括地球等离子层的极紫外探测与研究、日地空间和太阳系外天体的甚低频干涉观测与研究、太阳系外行星系统、星震和活动星系核的光学观测与研究、月表空间环境探测与研究等内容。

 

欧阳自远院士认为，通过对这些目标的分析可以看到，我国科学家提出的“月球软着陆与月球车巡视勘查”的科学目标具有的特点是：（1）选择与以往不同区域着陆；（2）月面软着陆就位探测与月球车巡视勘察二者同时进行并有机结合，将获得比以前更有意义的探测成果；（3）国际上首次利用测月雷达实测月壤厚度（1 ～30m）和月壳岩石结构(1～3km)；（4）国际上首次在软着陆上利用数据转发器精确测定地月间距离，进行月球动力学研究；（5）首次在月球上采用极紫外相机观测太阳活动和地磁扰动对地球空间等离子层极紫外辐射的影响，研究该等离子层在空间天气过程中的作用；（6）在国际上首次进行月基光学天文观测，研究太阳系外行星系统、星震和活动星系核。

 

 

月球探测的应用目标是指月球探测产生的科学成果、探测数据和创新技术、应用于工程规定之外的领域所产生的社会和经济效益。我国月球探测二期工程的应用目标是：

 

1．构建月球探测航天工程体系

 

月球探测是深空探测的起点，在现有人造地球卫星航天工程系统的基础上，构建的月球探测航天工程体系，将来可以应用于火星探测和其他深空探测任务。

 

2．工程将产生大量科学数据

 

除了完成工程规定的科学目标研究外，还可以进一步开发和挖掘，产生更多的应用成果。月球探测产生的数据和科学成果，可以应用于月表系统图件的绘制和月球科学研究，并带动相关学科的发展。

 

3．将促进我国对月球资源、能源、空间环境的开发利用

 

月球蕴藏着大量的有用元素，具有巨大的开发的应用前景；月表环境可用于试验和生产地面环境中无法获得新材料、新器件和生物制品；月球表面环境非常适合于天文观测和对地观测。

 

 

我国有关领域科学家认为，月球探测二期工程根据完成上述月球探测的科学目标，将携带20种左右有效载荷。初步确定携带的有效载荷主要有：

 

软着陆平台配置的有效载荷主要为：全色摄像/照相机、激光反射器、粒子激发X射线谱仪、红外光谱仪、光学天文望远镜、极紫外相机、月震仪、空间环境探测器、降落相机等。

 

月球车配置的有效载荷主要为：立体成像系统、测月雷达、粒子激发X射线谱仪、红外光谱仪、质谱仪等。

 

 

具体实施计划及内容是：在2013年左右实现探测器首次月面软着陆，采用“长征三号”B火箭，在西昌卫星发射中心发射，直接送入地球至月球转移轨道，经过中途修正和近月制动后，进入200km高度的极月圆轨道；选择适当的时机在预定着陆区域实施首次月面软着陆，在月面展开就位探测，同时释放月球车开展月面巡视勘察。着陆探测器和月球车在月面工作时间为3个月。整个任务期间将新建深空探测网和USB系统提供测控支持，地面应用系统负责接收和解译科学探测数据，完成预定任务。

 

 

专家认为，我国月球探测二期工程不是一期工程的重复，而是一期工程的深化和重大突破，面对这一新的领域、新的任务，需要突破的关键技术和环节很多，完成这一艰巨任务的核心问题是能力建设。在继承一期工程取得的技术成果的基础上，根据二期工程的科学目标，需要突破的关键技术主要有：

 

1．探测器系统总体方案设计技术

 

与“嫦娥一号”相比，设计思路将有很大的不同，核心任务是实现探测设备登上月球，并进行科学探测。主要工程技术目标是突破月球软着陆、月球车及其他相关技术，研制和发射月球软着陆探测器和月球车，建立月球探测航天工程基本系统。月球软着陆探测与以往的地球轨道返回着陆有着本质的不同和很大技术难点。同时，探测器系统承载的科学仪器种类繁多，工作模式需相互切换，对探测器系统的总体设计提出了新的要求；探测器系统经历运载火箭发射段和着陆冲击段两段力学环境和月面复杂的空间与地理条件，比以往的航天器面临更多的考验。探测器系统的组成、轨道设计与优化、总体构形设计、主要技术指标确定、各分系统技术要求与技术指标的匹配性分析等，都是必须解决的关键技术。

 

2．月球车研制技术

 

月球车是一种能够在月球表面移动，完成探测、采样、运载等任务的月球探测器。利用月球车对月面进行就位探测，是二期工程的重头戏。月球车虽小，却五脏俱全，技术含量非常高，需要突破月球车总体方案设计与优化、月球车移动技术、定位、路径规划与控制等大量的新技术。

 

3．运载火箭发射技术

 

由于月球软着陆探测任务具有发射要求速度增量大、入轨精度要求高、发射窗口较小、发射轨道需随发射时间而改变等特点，因此，对运载火箭发射技术而言，面临着提高运载能力、入轨精度、提高发射适应性等关键技术问题。

 

4．测控通信技术

 

深空测控通信系统是人类与深空探测器联系的通道和纽带，在深空探测任务中起着关键的作用。由于深空任务周期长、通信时延大、链路带宽有限、信号微弱、数据更加关键可贵等一系列原因，使得深空测控通信实现起来更为困难，对星上设备及地面设备带来新的挑战。

 

为完成软着陆探测任务，地面应建立相应的深空测控网。其中的大口径多频段高增益天线站技术，测控通信站的规模和布局、深空测控系统采用的频段、信号形式和调制方式、测量精度更高的同波束干涉技术、差分单向测距测量技术、实时性更强的高精度连接单元干涉技术、天基深空数据中继的组网技术、针对各种深空测控体制的不同测量数据类型的系统误差修正技术等，都是须解决的关键技术。需组织开展技术攻关的深空测控通信关键技术，主要包括：深空测控总体技术、深空测控体制研究、轨道测定与控制技术、深空测控设备及相关技术、天线组阵技术等。

 

5．月球软着陆自主导航与控制技术

 

月球软着陆的工程不同于地球轨道航天器的气动返回。由于月面环境的不确定性和着陆轨迹的复杂性，需依靠探测器的制导导航与控制系统实现基于敏感器的自主导航，并研究相应的算法实现着陆段的地形识别与避障，以保证着陆的精度与安全性。对月测速、测高及地形识别的敏感器是以往航天器上没有使用过的，同时，对作为控制系统执行机构的发动机与推力器也有更高的要求。需研究发动机的延长寿命、提高比冲、多发动机组合等问题，并探讨研制大发动机或变推力发动机的必要性与可行性。

 

6．着陆器结构与缓冲机构技术

 

由于着陆器携带大量燃料、服务设备及科学仪器、考虑到架式结构更适应需求。大型承力式架结构是我国以往航天器上没有采用过的。包括架的承力路径分析、材料的选取、接头杆件的设计等。

 

着陆缓冲机构是着陆安全的重要保证。需可靠吸收着陆冲击能量，并在一定的地形条件下，保证着陆器不反弹、不翻倒。缓冲方式的选择、缓冲材料的选取、缓冲系统各参数的选取与优化是必须解决的关键技术。

 

7．月面探测的测控通信技术

 

在地面深空网建立的情况下，仍需对探测器上的测控通信系统进行进一步研究，包括研究高增益的编码技术，研制双频应答机，比较不同类型的天线的优劣等。同时，为解决着陆器和巡视器在月面上工作期间相互间的通信问题，需研究月面的电波传输特性、绕射特性，并探讨超视距通信的可行性。

 

8．月面生存的热控技术

 

月夜的恶劣温度环境、没有太阳可利用给热控带来了极大的挑战。同位素技术是解决探测器渡过漫长月夜的必须手段，在我国航天器上是首次使用。研究同位素系统的设计，研究热能的利用、相应的热控措施、试验验证、辐射防护等。同时，在月面复杂外热流环境下，需采用新型的热控技术才能保证顺利渡过高温和低温环境。如热开关、相变材料等。

 

9．小型化电子技术

 

月球探测器的高风险与高成本促使对探测器的重量与功耗必须有一个限制。探测器上的各种电子设备的小型化设计与研制是深空探测器必须攻克的关键技术。

 

10．月面巡视探测技术

 

主要包括月面巡视探测器移动技术和一体化驱动组件技术、环境感知、识别与建模及传感器数据除处理技术、月面的定位、路径规划与控制技术、遥感操作技术等。

 

11．月面工作机构研制技术

 

探测器上的工作机构需在月面1/6重力条件下工作，这是以往航天器所没有设计过的。为满足月夜月昼交替的需求，需实现机构的重复展开与复位。为支持科学仪器的工作，需研究相应的机械臂，并控制其完成预定的任务。

 

12．仿真与地面试验验证技术

 

软着陆与巡视探测任务与典型的地球轨道航天器任务相比，具有较强的特殊性，所经历的环境条件更加复杂多变。在设计过程中，必须进行仿真与地面试验验证工作，达到与总体方案比较、关键技术问题分析、技术途径验证等目的。

 

着陆过程的轨道设计与控制、着陆冲击载荷、着陆后探测器的热环境、光照环境、测控通信链路等必须通过地面数学仿真的手段进行验证。着陆过程为实时控制，变化因素多，控制难度大。为保证下降平稳和着陆安全，对制导导航与控制系统和发动机提出了很高的要求，需要保证多台大发动机及姿态发动机协调工作，工作方式为连续加脉冲工作方式，其工作过程需要地面验证。着陆的稳定性与冲击载荷是否满足要求，相应地面进行多种工作状况的组合验证，验证与优化着陆器缓冲系统的设计。

 

要求巡视探测器的通过性、稳定性也需要在类似的月貌环境下进行地面验证，以确认其跃过障碍的能力，规避障碍的能力、抗侧倾的能力、爬坡能力等技术指标得到满足。探测器在月面所经历的外热流环境也是在地面所必须进行试验验证的关键项目。

 

13．月面特殊环境及其与探测器的作用效应研究

 

月面环境包括地形地貌、机械物理特性、月壤的光学和热特性、辐射环境、月尘等方面，这些环境的具体特性及其探测器的作用效应是航天器研制的基本条件和保证。目前缺乏第一手探测材料，需要开展深入的研究，以为探测器的设计奠定基础。

 

 

我国月球探测二期工程将实现探测器在月面上软着陆，为了完成月球软着陆探测任务，这就涉及到着陆区的选择问题。软着陆区域的选择应该既能满足科学探测的需要，又具有实现的可行性。那么，选择探测器软着陆区应该遵循哪些原则呢？

 

①有利于实现科学探测目标。为了实现科学探测目标，着陆区无疑应该选择在地质现象丰富的地区，如月海和高地的接触带、大型山脉、典型撞击坑构造区域等，以满足月球地质研究的需要；着陆区应该选择在成熟月壤区和矿产资源丰富的地区，以满足月球资源利用和研究的需要；着陆区的地质现象和地理位置是国外所没有探测过的，这样既可以体现我国月球科学探测的独特性，又可以与国外已经开展的月球区域探测实现互补。

 

②有利于工程的实施。着陆区应该选择在开阔平坦的地区，以降低软着陆的风险；着陆区应该保证提供良好的光照条件与适宜的热环境，以提供足够的能源和保证探测器的工作环境。

 

为了保证着陆器在月面上着陆后不翻跟头，月面软着陆场必须选择在相对平坦的地区。

 

为了保证着陆器获得持续的电源和有效的探测，着陆区的选择要考虑到光照条件。尽管目前设计的着陆探测器的太阳电池阵可实现对日定向，但是如果考虑到一定的地形遮挡等因素，要求太阳入射角只有在大于10度的情况下，才能满足太阳电池帆板的工作需求。

 

③有利于与地球的通信联系。为保证探测器在月面着陆后可以连续与地面通信，着陆区应该选择在月球正面。我们知道，月球只有一面始终对着地球，而另一面我们永远也看不见，这种情况使得月球正面与地球通信的可见区域分为永远可见、有时可见和永远不可见三种情况。经过分析，月球正面可以连续保持与地面通信的区域为东西经70度范围内、纬度在南北纬80度之间。因此，着陆点应该选择在这一区域内。

 

在月球表面着陆后的探测器，与地面的可通信条件与环月飞行的探测器不同。为传输探测数据，需要使用高增益的定向天线。月面上一个固定点相对地面某个测控站的方位角与高度角在一年时间内呈现周期性变化，这样的角度变化对定向天线的波束宽度和转动自由度设计有很大影响。因此，为满足测控数传的要求，要求定向天线要具有两轴转动的能力。

 

④卫星轨道的可达性。为了确保探测器能够在预定的着陆点着陆，专家认为有三种环月轨道可以选择：即：月球0倾角赤道轨道、月球倾斜轨道和月球极轨道。具体是：如果着陆区选择在月球轨道，则选择0倾角的环月轨道，可以保证每个轨道周期内均有着陆机会，且测控条件较好。如果选择极区，那么只能选择极轨，才可保证每个轨道周期内有着陆机会。但是对于位于赤道与极区间的着陆地区，可选择轨道倾角大于着陆区纬度的轨道。轨道在一个月球日内对指定着陆区的着陆机会均只有一次。如果希望增加连续的着陆机会，则要做适当的轨道倾角机动。

 

由于月球自转速度很慢，每天自西向东约转动13.2度，平均每小时转0.55度。对于一个轨道周期约2小时的环月轨道来说，如果错过了一次着陆机会后，可对卫星进行一次小角度轨道倾角机动，这样就可以满足下一个着陆机会的需求。

 

理论上讲，在地球上的给定发射场，对应不同的环月轨道要求，总可以找到对应的地球至月球转移轨道。同时，计算表明，不同倾角的环月轨道，对地月转移及近月制动所需要消耗的能量差别很小。因此，任何的着陆区在轨道设计上都是可实现的。

 

⑤充分考虑着陆场的热环境。有关资料表明，对应不同纬度，随着太阳入射角从0度逐渐变大，月面温度上升很快。在太阳下山的过程中，太阳降温过程也很快。在低于20度的低纬度地区，当太阳入射角为10度以上时，月面的环境温度已升至0度以上，可以满足探测器的工作温度条件要求。而对于高纬度地区，太阳入射角要超过20度后，月面温度才可能达到0度以上。因此，从热环境的角度考虑，对于20度以下的低纬度地区，着陆区在着陆时刻的太阳入射角大于10度；随着着陆区纬度的升高，要求着陆时刻的太阳入射角也增大。而在月夜期间，不同纬度地区的最低温度基本相同，达到－180度左右。

 

在月球赤道上，太阳入射角每个地球日变化12.85度。因此，对于20度以下的低纬度着陆区，考虑到太阳入射角的影响，探测器在月球可以工作的时间大约为连续12个地球日。

 

考虑到月面光照条件，各个着陆区所受光照周期约为28天。即在28天范围内，有连续14天左右的时间着陆区处于太阳光照范围内，其余时间均为阴影区。在着陆区太阳光照射范围内，太阳入射角（太阳光线与月面法向的夹角）的最大值约为90度，而太阳入射角的最小值近似为着陆区当地的地理纬度值，太阳入射角越小，说明当地的光照条件越好。

 

当前，随着我国月球探测一期工程的告捷，二期工程正以稳健的步伐向前推进。我们期待着中国月球探测工程的连台好戏。

 

（作者单位：中国航天科技集团公司）

 

《科学新闻》 (2008年 11月 第1期 专题报道)