俄羅斯“月球-全球”和“月球-資源”探月任務

魯暘筱懿 平勁松 V．Shevchenko

（1 中國科學院國家天文臺月球與深空探測重點實驗室，北京 100012）

（2 俄羅斯國立莫斯科大學天文臺，莫斯科 119000）

1 引言

20世紀50-70年代，蘇聯先后開展了29次探月活動，其中19次達到預定效果，為以后的探月任務提供了大量且必需的技術儲備。其中包括：探測器-5（Probe-5，1968年）和 探 測 器-7（Probe-7，1969年）成功開展了繞月飛行，模擬登月的環境試驗；向月球發射了著陸器，解決了在月面的軟著陸問題。2015-2025年，俄羅斯的探月計劃分三期實施。第一期：2015年由聯盟號運載火箭向月球南極區域發射月球-全球-1（LUNA-Glob-1）著陸器，用于研究極區月坑的月表成分、月坑地區凝結的揮發性物質成分，獲取高分辨率圖像等。2016年發射月球-全球-2（LUNA-Glob-2）軌道器。2017年發射月球-資源-1（LUNA-Resource-1）月球極區著陸器，與該著陸器一起發射的還有印度的月球探測軌道器月船-2（Chandrayaan-2）。第二期：2020-2023年，向月球極區釋放2 輛月球車——月球車-3、4，它們分別裝載在月球-資源-2（LUNA-Resource-2）和月球-資源-3（LUNA-Resource-3）著陸器上。按計劃，著陸器將攜帶月球車在月球極區實施軟著陸，進行現場勘測。2025年再發射一個月球采樣返回器月球-資源-4（LUNA-Resource-4），它可把月球車采集的月球樣品帶回地球。第三期：2025年后，以前期研制的“地球-月球-地球”運輸系統、月球軌道器、月球車、采樣返回器等為基礎，開發一系列能夠在月面自動操作的功能設施，建設集月球勘探、科學研究、采樣返回等功能于一體的“月球-實驗場”自動化無人月球基地［1］。由于第三期項目任務復雜，技術難度高，耗資巨大，因此能否真正實施還存在諸多不確定因素。

本文主要介紹了俄羅斯“月球-全球”和“月球-資源”月球探測器的科學載荷和科學應用目標，分析了其應用前景，針對中國的探月計劃提出了幾點建議。

2 “月球-全球”探測器

“月球-全球”探月任務是蘇聯時期探月工程的延續，是俄羅斯科學家對世界新一輪探月高潮的回應，除科學目標外，重在檢驗工程體系，整合技術資源，培養和鍛煉人才隊伍。月球-全球-1著陸器（即Luna-25，延續蘇聯時期月球探測任務編號，下同）是俄羅斯新探月工程的第一步，預計2015年由“天頂”系列運載火箭于東方發射場擇機發射。著陸器質量為1450kg，采用軟著陸方式在月面著陸，主要承擔技術驗證和月表物質成分探測等一系列基礎性科學任務。計劃于2016年發射的月球-全球-2軌道器，總質量為2100kg，主要承擔月球全球資源探測、全月影像拍攝等科學任務，以及為后續探月任務考察預定著陸點等工程任務。月球-全球-1、2的總任務目標包括：①拍攝全月面月球影像圖；②研究月球內部結構和月球南極區月坑內部結構；③勘探月球的自然資源；④為后續月球著陸器選定一個或多個著陸區；⑤研究微粒子流和電磁輻射對月球的作用和影響［2］。

2．1 月球-全球-1著陸器

月球-全球-1著陸器（見圖1）的任務包括：①執行一系列月震實驗；②開展月表風化層力學與強度特性的研究；③分析月表火成巖基本元素的含量；④分析月表巖石含水量。

圖1 月球-全球-1著陸器Fig．1 LUNA-Glob-1lander

圖2為月球-全球-1著陸器飛行設計方案。“天頂”系列運載火箭把著陸器送入200km 的近地軌道，然后上面級動力裝置把著陸器送入地月轉移軌道，著陸器將飛行4．5天后到達月球。這一飛行方案已在蘇聯月球-9和月球-13（1966年）探月任務中得到了實際應用［3］。在飛行過程中，月球-全球-1著陸器先釋放高速穿探器模塊，該模塊攜帶有10個可獨立飛行的高速穿探器。到達預定高度時，10個高速穿探器分2批飛向月球。第1批（5個）沿著10km直徑的圓環射向月面，它們彼此的間距大致相等，形成外環；第2批（5個）沿著直徑5km 的圓環均勻分布，形成內環［4］。此后，攜帶有寬頻月震探測計和攝像機的2個穿探器分離，并在月面著陸，它們之間的距離不超過300km［5］。最后，著陸器在月球極區實施著陸，并開展預定科學探測任務。

圖2 月球-全球-1著陸器飛行設計方案Fig．2 Flight design program of LUNA-Glob-1lander

2．2 月球-全球-2軌道器

月球-全球-2軌道器（見圖3）的任務包括：①研究月球內部結構；②勘探可利用資源（尤其是月球極區區域水的分布和含量）；③開展月面著陸器與軌道器之間的通信試驗。

圖3 月球-全球-2軌道器Fig．3 LUNA-Glob-2orbiter

月球-全球-2軌道器攜帶的科學有效載荷可以對月面進行高分辨率遙感探測；測定選定區域月巖的物理特性和成分［6］；探測水信息或開展其他研究。軌道器裝有接收天線，可接收著陸器、穿探器發送的無線電信號，然后通過定向天線發送給地球站。它帶有足夠的推進劑，采用由俄羅斯科技公司改進開發的夾心板熱控系統和輕型太陽電池板結構支架，可長期在軌工作；另外，還裝有月球軌道無線電波探測器，可完成光譜和宇宙射線能量研究。軌道器將向月面發射多個穿探器，完成月球內部結構研究任務。穿探器由實施探測的科學儀器和制動系統組成，每個穿探器的質量為15kg。它們將高速鉆入月面，穿透時的速度為2．5km／s，穿透深度為10～15m，過載能夠達到10 000gn。穿探器所攜帶的窄帶月震波探測計，可沿著直徑10km的外環帶和直徑5km 的內環帶鉆入月面，獲得的月震信息將由天線發送出去［7］。圖4為月球-全球-2軌道器飛行示意圖。

圖4 月球-全球-2軌道器飛行示意圖Fig．4 LUNA-Glob-2orbiter flight profile

2．3 科學載荷

月球-全球-1著陸器采用軟著陸技術，具有體積小、質量小的特點。它將對月球南極地區進行一系列的科學探測，包括探測撞擊坑區表層的水含量。著陸器上攜帶的無線電信標機和月震儀，將對后續開展的月球動力學研究發揮重要作用。月球-全球-2軌道器是在月球-全球-1著陸器的基礎上開展的探月任務，以獲取月球全球影像和探明資源分布為主要科學目標，它所提供的月球全球高分辨率影像，將對后續探月任務以及月球基地的建設意義重大。圖5為月球-全球-2軌道器的關鍵載荷。

1）無線電信標機

無線電信標機（Radio-beacon Transmitter，RBT）見圖5（a）。它安裝在著陸器上，采用8．4 GHz和33．4GHz頻段，頻率穩定度為5×10-13（小于100s）和1×10-13（小于1000s）。其主要科學目標為：配合地基射電望遠鏡開展月球內部結構的研究；配合測量“月球-全球”著陸器和軌道器之間的相對位置，以研究月球重力場變化。工程目標是為未來著陸器和軌道器提供無線電航標。

2）氣體復合分析儀

氣體復合分析儀（Gas Analytic Complex，GAC）見圖5（b）。它內置差熱分析儀、氣相色譜儀和質譜儀。其主要科學目標為測量著陸區月表的揮發性物質和特定元素及其同位素的揮發性質。

3）激光質譜儀

激光質譜儀（Laser Mass Analyzer，LASMA）見圖5（c）。它以“火衛一探測器”（Phobos-Grunt）搭載的同類型儀器為原型研制，內置采集樣品的激光蒸發系統和質譜儀，測量月表的揮發性物質，以及月球風化層中特定元素及其同位素的揮發性質。

4）紫外成像光譜儀

紫外成像光譜儀（UV-Opical Spectrometer-Imager，UVOSI）見圖5（d）。它主要在3個光學譜段對月面成像。其光度測量集中在278～1052nm 之間，主要科學目標為測量月表月壤和巖石的物質成分。

5）中子-伽瑪頻譜儀

中子-伽瑪頻譜儀（Active Detector Gamma-ray and Neutron，ADRON）見圖5（e）。其中：中子發生器測量月表成分；測量脈沖中子源發射中子，以研究月表構成。中子-伽瑪頻譜儀以“火衛一土壤返回”（Phobos Soil Return）和“火星科學實驗室”（MSL）探測器的相關儀器為原型研制。其主要科學目標為：測量中子脈沖發射后月球次表層機構中的氫氣含量；測量伽瑪射線脈沖發射后月球次表層結構的組成成分。

6）微顆粒測量儀

微顆粒測量儀（PmL-dust Detector，PmL）見圖5（f）。它對撞擊顆粒測量的準確性為1×10-12～1×10-14N·s；測量月壤基本物理性質變化值可達到10～12C。該儀器以“火衛一土壤返回”探測器相關儀器為原型研制。其主要科學目標為：測量月塵質量分布與差異；探測月表微隕石和分化層次粒子分布。

表1為“月球-全球”探測器的科學載荷。

圖5 月球-全球-2軌道器的關鍵載荷Fig．5 Main scientific payloads of LUNA-Glob-2orbiter

表1 “月球-全球”探測器的科學載荷Table 1 Scientific payloads of LUNA-Glob

3 “月球-資源”探測器

俄羅斯將在2017年向月球極區發射月球-資源-1著陸器（Luna-27），其總質量為250kg，其中制動發動機質量約為180kg，進入速度為80～100km／s，最大過載為500gn，到達月面前過載降低到200gn，使用緩沖氣囊進行軟著陸［8］。著陸器用于研究月球內部結構、極區月坑的月表（月壤和月巖）成分、月坑地區凝結的揮發性物質的成分，獲取高分辨率圖像等。著陸器將裝載質量-能譜儀、月球攝像機、伽瑪頻譜儀、中子頻譜儀等設備。隨月球-資源-1一同發射的還有印度研制的月船-2月球軌道器。該發射計劃將在印度斯里哈里科塔發射場由印度GSLV-2運載火箭執行。

2020年后，俄羅斯將向月球極區釋放分別裝載在月球-資源-2和月球-資源-3著陸器上的月球車-3和月球車-4。與蘇聯時期的月球車-1、2相比，月球車-3、4將擁有更小的體積和質量，裝有可長時間供應能源的核電池，以及更多的科學載荷。月球-資源-2著陸器（見圖6）所攜帶的月球車-3，將獨立在月球極區表面完成長達5年、總里程達30km 的行走和科學探測活動，利用隨車攜帶的鉆探取樣機械臂完成對月面以下2m 處的鉆探取樣工作，還將為后續月球車及其他登月科學載荷提供先期技術可靠性驗證（如測試集成熱控系統）。月球-資源-3著陸器將在2022年前后發射，采用緩沖氣囊軟著陸方式在月球車-3最終停留的月面極區工作地點著陸。2025年，利用月球-資源-4的返回艙將月球車-3、4先期采集的月球樣品帶回地球。采集樣品獲取的科學數據將用于完善后續月球無人值守基地的設計和建設。

4 前景分析

俄羅斯的“月球-全球”和“月球-資源”探月任務，既是蘇聯時期探月計劃的延續，又是進入新世紀以來人類深空探測計劃的重要組成部分。該任務的實施將解決諸如地月間運輸系統、長時間無人照料月面基站運行等工程技術問題，以及極區月面資源（特別是水的分布情況）等科學問題，為未來人類在月面建立有人基地和繼續開展深空探索提供技術驗證的必要條件及前哨基地。經過長期的技術經驗積累，俄羅斯航天系統建立了一套較為完整的質量控制系統，但由于經濟等多方面的原因，該系統的運轉差強人意。俄羅斯的航天及其深空探測部門本著鍛煉磨合隊伍的目的，提前開展具有月面軟著陸特點的月球-全球-1著陸器任務。后續開展的“月球-資源”著陸器任務，將會驗證著陸氣囊技術和月球車月面自動勘測技術，開展對著陸區表面月壤物質成分的自動測量和分析，將是搭載多種科學載荷的月面科學實驗室，是未來在月面建設自動化多功能月球基地的重要組成部分。

圖6 月球-資源-2著陸器Fig．6 LUNA-Resource-2lander

5 啟示與建議

俄羅斯新探月計劃的第一期如能順利實施，將會極大地提高整個深空探測系統的技術可靠性和工程技術應用能力，推動月球科學和行星科學的發展。第一期是以發展月球科學為主要目標，諸如月面月塵、微隕石等基本月球環境的探測和測量，都是為下一步建立月球基地作準備。此階段的工程技術目標以檢驗和改進已有的火星探測器研發技術、研制月球探測器為主。綜合上文對俄羅斯新探月計劃的分析，結合國際上其他探月計劃實施的經驗，針對中國探月工程“繞、落、回”三步走的總體發展思路，提出以下3點建議，可為中國正在開展的探月工程提供借鑒和參考。

（1）以科學研究為主要目的推動探月任務的實施。注重了解月面的地質地貌、可利用資源的含量及分布，利用月球樣品研究月球的演化。這也是后續建立月球基地的前提和基礎。

（2）以建立月球基地為目標分步驟實施探月計劃。開展諸如月面極區水冰分布和準確含量的探測，可用于基地建設的化學元素的分布含量及利用方法的研究，與基地選址和建設緊密相關的月球內部結構的研究，長期有人值守的月球基地的建造原理研究，以及星地鏈路信息傳輸技術、月球動力學和行星物理學等方面的研究。按照中國探月工程“繞、落、回”三步走的總體發展思路，建議在探月二期和三期工程中著重對月球背面及月球兩極地區進行探測。

（3）開展國際合作，借鑒和創新國外探月技術。中國開展深空探測，尤其是月球探測計劃，是從本國的科學和工程技術的實際水平出發，合理而高效地統籌利用已有人才、技術和物質資源，走好中國式深空探索的每一步。與此同時，借鑒國外在探月科學及行星探測方面的成熟經驗，可在諸如深空探測器研制、月球樣品取樣與分析等領域開展務實合作研究。中國即將發射的嫦娥三號月球探測器，其主要目的是實現月球軟著陸和巡視探測任務，在巡視活動中抓取月壤并進行分析，將得到的有關數據直接傳回地球，后續可與俄方開展相關合作研究。

（References）

［1］Russian Federal Space Agency．Russia space programs and exploration handbook［R］．Moscow：Russian Federal Space Agency，2011：59

［2］ПолищукаГ М．КосмическийполетНПО ИМ．С．А．Лавочкина ［R］． Москва：БЛОК-Информ-Экспресс，2007：38-42 Polishuka G M．Spaceflight Lavochkin Association［R］．Moscow：Block-Inform-Express，2007：38-42（in Russian）

［3］ШевченкоВВ，ЧикмачевВ И．Лунныебазы-проект ХХIвека［R］．Москва：АНСССР，1989：115 Shevchenko V V，Chikmachev V I．Moon bases-a project of the XXI century［R］．Moscow：Acandemy Science USSR，1989：115（in Russian）

［4］Yulkin K S．Industrial development of the moon［J］．The Russian Space Bulletin，1995，2（2）：12-15

［5］НПО ИМ．С．А．Лавочкина．Программаисследования Луныробототехническимикомплексами［R］Москва：НПО ИМ．С．А．Лавочкина，2007：45-67 Lavochkin Association．The research program of the lunar robotic systems［R］．Moscow：Lavochkin Association，2007：45-67（in Russian）

［6］КоротеевА С，Семенов Ю П．Космическаятехникаи космоновтикаврешениэкологическихпроблеммировой энергетикиХХIвека［J］．Изв．РАН．Энергетика，2006（1）：142-155 Koroteev A C，Semenov Yu P．Space and energy technologies for the finding of environmental problems world’s energy in 21st century［J］．RAS News-“Energy”，2006（1）：142-155（in Russian）

［7］ЧеркасовИ И，МихеевВВ，Смородинов М И，идр．Первые итоги определения физико-механических свойствгрунтов Луны，Издательство литературы по строительству［M］．Москва：Издательстволитературы построительству，1970：75 Cherkasov I I，Miheev V V，Smorodinov M I，et al．The first results of determination of physical and mechanical properties of lunar soils［M］．Moscow：Publishing House Construction，1970：75（in Russian）

［8］ЧертокБ Е．Ракетыилюди［M］．2-еизд．Москва：Машиностроение，1999：448 Cheptok B E．Rocket and people［M］．2nd ed．Moscow：Engineering Press，1999：448（in Russian）