月球南極著陸區關鍵特性分析

李飛 張熇 吳學英 董捷

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

1 引言

月球著陸探測從20世紀50年代開始至今，所有著陸區都集中在月球正面的中低緯度地區，包括美國的“勘測者”（Surveyor）、“阿波羅”（Apollo），蘇聯的“月球”（Luna）［1］，以及我國首次成功在月球著陸（19．51°W，44．12°N）的嫦娥三號探測器。與已完成著陸探測任務的月球中低緯度地區不同，月球南極地區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，使南極地區太陽高度角低，且存在連續長時間光照或連續長時間陰影；地球同月球高緯度位置關系造成南極地區對地可見具有長周期的特性；此外，地形對光照和對地可見的影響較大。南極地區的上述關鍵特性，使著陸探測任務存在較大風險，工程實現存在較大難度，這也是之前所有月球著陸區都選擇了著陸條件更為良好的中低緯度地區的重要原因之一。

隨著工程技術的發展，月球南極地區的著陸探測已成為主要航天國家和組織未來的月球探測熱點之一，主要原因在于開展月球南極探測具有較高的工程意義和科學價值。一方面，南極海拔比較高的區域（如撞擊坑的邊沿、山頂、山脊）具有較長時間的連續光照，良好的光照條件可以提供持續的太陽能；另一方面，在南極地區撞擊坑的底部存在永久陰影區，可能存在水冰，并可為科學實驗提供極低的溫度環境。作為谷歌月球X 大獎賽的參賽成員，美國商業科學私人企業月球快車公司計劃在2015年采用MX-1月球著陸器開展月球南極探測［2］；NASA 終止的重返月球計劃，也曾選擇南極作為月球基地地址［3］；ESA 計劃發射月球著陸器于2019年著陸月球南極［4］；俄羅斯計劃在2015年和2017年分別發射月球-25（Luna-25）和月球-27（Luna-27）在南極著陸探測［5］。

本文結合國內外已開展的相關工作，對月球南極著陸區的關鍵特性進行了分析，包括光照條件、對地可見和地形地貌等，并對我國開展南極探測任務規劃和探測器系統設計提出了參考建議。

2 南極著陸區與中低緯度著陸區關鍵特性的區別

與著陸在月球中低緯度地區不同，南極著陸區有其獨有的特性，主要體現在以下幾個方面。

（1）光照條件。以往的月面探測任務通常最長持續時間為一個月晝，約14個地球日，進入月夜后，由于能源及溫度的原因，探測器無法繼續工作。嫦娥三號探測器利用攜帶的同位素熱源（RHU），可在月夜休眠期間保證整器溫度，在進入月晝后喚醒繼續工作。而探測器在南極部分地區著陸，可以獲得較長時間的連續光照，因此可考慮不攜帶同位素熱源，也可開展較長時間（大于14個地球日）的連續月面探測。

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

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

下面針對月球南極的光照條件、對地可見和地形地貌，進行詳細的說明。

3 光照條件

由于月球的自轉、軌道、地形地貌等原因，南極地區的光照具有太陽高度角低、受地形地貌影響大的特點。月球赤道面與黃道面成1．54°夾角，加上物理天平動在緯度方向的影響（0．04°），緯度為88．4°以上的極區可以有長時間的夏天。但由于極區的地形環境復雜，復雜地形對太陽光照條件影響十分顯著，導致月球極區存在永久陰影區（如撞擊坑底部）。由于陽光永遠無法照射，永久陰影區里極端低溫，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域，如撞擊坑的邊沿、山頂、山脊等地區，往往能得到長時間連續的光照。

南極地區的太陽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（89．5°S，222°E）為例［6］，給出該點一年中太陽高度角的變化情況，如圖1所示。其中：黑色粗實線表示當地水平仰角變化情況；彩色虛線表示一年中太陽高度角變化情況，藍色線表示冬季，紅色線表示夏季（由于月球赤道面與黃道面存在夾角，月球南極也會有四季，主要表現在光照時間和太陽高度角的變化，夏季光照時間長，太陽高度角高，冬季光照時間短，太陽高度角低）。在每個月里，太陽從右側運動到左側；隨著月份的變化，曲線由低到高變化，到達最高曲線以后再從最低曲線開始循環。當太陽高度角小于水平仰角時，陽光被遮擋；反之，陽光可見。在冬季，陽光被連續遮擋的時間較長；在春季或秋季，陽光只被較高的山峰遮擋，遮擋時間較短；在夏季，存在連續光照。由圖1也可以看出，在（89．5°S，222°E）位置區域（如撞擊坑邊沿、山頂、山脊等），其水平仰角可能為負值，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）當地的水平仰角與太陽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高程數據，針對具體位置進行光照仿真分析。

3．1 應用“輝夜姬”探測器數據的光照分析

文獻［7］利用日本“輝夜姬”（Kaguya）探測器的激光高度計數據，建立了大范圍的南極地區高程圖，分辨率分別為500m（＞85°S）和1km（80°S～85°S），區域形狀是以南極為中心，邊長為300km 的正方形。對該區域內的光照條件進行了分析，分析時間設置為2018年，探測器高度設置為2m，短于55h的連續陰影時間被濾除。通過分析，可以得到12個光照條件較好的區域作為備選著陸區，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和次選著陸區分布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和次選著陸區Table 1 Primary and secondary landing regions with favorable illumination conditions

文獻［7］進一步分析了12個區域的光照條件，建立了分辨率為200m、單個區域大小4km×4km的高程圖。分析結果表明：①南極地區永久光照區是不存在的；②考慮濾除短于55h的陰影，即探測器可承受最長55h的連續陰影時間，可分析得到南極部分地區存在6～10個月的連續光照；③部分備選著陸區存在長時間的光照，但區域較小，部分備選著陸區光照時間相對較短，區域較大，要根據探測器能力以及任務需求進一步分析；④光照條件受到探測器高度（實際為太陽電池陣有效高度）的影響比較顯著；⑤不同年份（2016―2021年）的最長連續光照時間差別較小。

3．2 應用“月球勘測軌道器”數據的光照分析

文獻［6］采用“月球勘測軌道器”（LRO）激光高度計的數據，對文獻［7］中良好光照條件的區域建立了高分辨率的數字高程圖（南極點緯度2°附近地區分辨率為40 m，其他區域為80 m），并進一步分析了光照條件。分析時間設置為2019年，探測器距離月面高度2m，對小于60h陰影時間、小于10h光照時間進行濾除。經過分析，CR1、LP1、GR1、SR1、MP1和MP2等地區具有較好的光照條件，最長連續光照時間為4～9個月，區域大小為幾百米量級，但在該區域以外，連續光照時間迅速縮短，最長也不大于1個月，具體如圖3所示，對應坐標系如圖2所示。在連續光照區內也存在光照時間較短的區域間隔，這些區域主要是直徑60～120 m 的撞擊坑。此外，通過更改探測器距離月面的高度發現，增加探測器高度可以有效地增加光照時間。

圖3 南極地區6個良好光照區域的準連續光照時間分布Fig．3 Quasi-continuous illumination period map for the six regions with favorable illumination in south pole

3．3 應用嫦娥一號衛星數據的光照分析

文獻［8］中采用基于嫦娥一號衛星激光測高數據建立的數字高程圖，對南極地區的光照條件進行了分析。時間從2000年1月1日到2018年12月31日，通過分析得到以下結論。

（1）未發現永久持續光照區。

（2）有長久陰影區存在，在大于87．5°S的南極區域，面積大約為2736km2，長久陰影區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，經度在30°～90°和180°～300°的小陰影區是否為低溫區，還要進一步證實，因為這些區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的光照。

根據以上Kaguya、LRO 和嫦娥一號數據的分析，可以得到以下共性結論：南極地區存在永久陰影區，分布在大撞擊坑內；不存在永久光照區，只存在長時間的準連續光照區，主要分布在南極地區撞擊坑邊沿、山頂、山脊等區域。

4 對地可見

由于月球正面始終對著地球，因此在月球正面赤道及中低緯度著陸的探測器可一直對地通信。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，使得在一個月球公轉周期內，當地球運行至月球北半球區域時，南極地區與地球的連線會受到月球本體的遮擋；當地球運行至月球南半球區域時，南極地區與地球完全通視，所以探測器在南極點附近周期性地連續14d對地可見，再連續14d對地不可見。以南極點為例，對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MP2地區的通信條件分析結果表明，MP2地區緯度相對較低，該區域中的部分地區對地可見時間大于14d，具體如圖4所示［7］，圖中三維坐標表示局部地形信息。

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

如果考慮月面對地通信最小高度角的限制，通信時間可能還會縮短。為了提高通信時間，通常還可以采用以下幾種方式［9］：探測器（如著陸器）在月面可通過月球軌道中繼衛星、地球軌道中繼衛星、Lagrange點中繼衛星、月球中繼站等方式進行對地球轉發通信；探測器（如巡視器）運行至撞擊坑底部，可以采用低頻地面波、光纖通信、類手機中繼站等方式，轉發給著陸器，再通過著陸器實現對地球轉發通信。

對幾種通信方式進行比較，說明如下。

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

（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；光纖通信最大的問題是光纖質量較大；類手機中繼站通信的主要問題是在月面安放中繼站塔架比較復雜。

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

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

5 地形地貌

南極的地形地貌對著陸安全有較大的影響。文獻［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，都會對著陸安全產生影響。盡管對于月面坡度、撞擊坑、石塊研究開展較早，且相關文獻較多，但是這些研究都沒有專門針對南極地區，且數據的分辨率相對較低，因此近年來國外主要通過LRO 的激光高度計數據對坡度進行分析，通過LRO 的相機數據對撞擊坑和石塊進行分析，其詳細結果如下。

5．1 坡度

LRO 激光高度計的分辨率為5～10m，文獻［6］中主要采用5 m 大小的柵格計算地形坡度。分析區域是以高程最高點為圓心、半徑為250m 的圓形區域。以CR1地區坡度分布為例，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。對備選著陸區坡度相對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，各區域內平均坡度較小，位于0°～5°之間；在著陸器尺度5m 基線情況下，不同區域平均坡度相差較大，其中SR1和SR2地區（即Shackleton撞擊坑邊沿）的坡度要比其他地區的更加陡峭，最大可以達到約25°；其他地區在5°左右。

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

圖7 所有主選著陸區坡度的平均值和標準差對比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坡度影響著陸安全。文獻［6］中采用LRO 的相機圖像對備選著陸區的撞擊坑進行識別。以LP1 地區撞擊坑識別情況為例，具體見圖8。圖8（a）中紅色圓圈表示識別出的撞擊坑，共計3208個，識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，撞擊坑直徑與撞擊坑累計數量的關系曲線（累計數量表示大于對應直徑的撞擊坑個數）。通過對所有備選著陸區撞擊坑識別可知，撞擊坑都近似于平衡分布。

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

5．3 石塊

如果探測器著陸到石塊上，將會對著陸安全造成很大的威脅，可能造成探測器結構的損壞或者使探測器產生較大角度的傾斜，甚至傾翻。文獻［6］中采用LRO 的相機圖像對備選著陸區的石塊進行識別，像素分辨率為0．6～1．0m，可以識別出大于2m的石塊；以MP2、SR1和SR2地區石塊識別情況為例進行分析，具體結果如圖9所示。其中：圖9（a）表示MP2、SR1和SR2地區石塊大小與數量累計分布的曲線；圖9（b）表示SR1和SR2地區識別出石塊的位置。結果表明：MP2面積約為9km2，共識別出62個石塊，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，共識別出820個石塊，最大直徑約為18．0m，最小直徑約為1．3m。對所有區域識別的石塊結果表明，各區域的石塊分布規律不一致，石塊都是以石塊群的形式分布，每個群包括幾十到幾百個石塊。

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

6 啟示與建議

通過對月球南極光照條件、對地可見及地形地貌研究內容的分析，可對我國月球南極著陸任務規劃和探測器系統設計得到如下啟示。

6．1 著陸區選擇

在任務規劃方面，與之前的月球中低緯度著陸探測任務相比，對著陸區的位置選擇、著陸時機的選擇要求更為苛刻，如果選擇不當，會導致著陸后光照條件不滿足功率要求無法工作，或著陸區地形條件惡劣而著陸失敗。為此，本文提出以下建議。

（1）對著陸區的選擇，應綜合考慮光照條件、對地可見、地形地貌及著陸區大小等多方面因素，連續光照時間長、對地直接通信時間長、準連續光照期內陰影時間短、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域范圍，大多是優選的著陸區。但是，通常不可能存在各方面條件都有利的區域，所以要結合系統能力和任務特點進行權衡分析。

（2）Kaguya、LRO 及嫦娥一號數據的分析結果一致表明：南極地區不存在永久光照區，但是存在長時間的連續光照區，如SR1、SR2、CR1、MP1、MP2、LP1等地區，這些區域可作為主選著陸區。探測器可在不攜帶同位素熱源的情況下開展較長時間的科學探測，最長時間可達9個月；為了盡可能增加著陸探測任務時間，著陸時機應選擇連續光照期的初期階段。

（3）月球南極地區光照、對地可見等受到地形條件影響較大，所以南極地區高分辨率的影像圖和數字高程圖對于著陸區選擇十分關鍵，目前國外主要采用Kaguya和LRO 的激光高度計數據、相機數據進行分析。我國可采用嫦娥一號、嫦娥二號的數據結合國外數據進行分析。

6．2 探測器設計

在探測器系統設計方面，由于南極的光照條件、對地可見、地形地貌的特殊性，與之前的月球中低緯度探測器相比，對探測器的電源、測控，以及制導、導航與控制等系統提出了較高的要求，本文主要建議如下。

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

（2）探測器測控系統：南極地區與地球直接通信時間為每個月連續的14d，為了增加通信時間，可以采用遠月點在南極附近的大橢圓月球軌道中繼衛星方式，因此要求探測器測控系統具備可與中繼衛星和地球通信的能力。

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

（4）探測器有效載荷：越來越多新的探測數據和研究成果等，明顯支持月球上有水的觀點［10］，而月球極區的永久陰影區是最有可能保存水冰的理想場所。所以，探測器攜帶有水冰原位探測設備是科學探測比較好的選擇。

（References）

［1］褚桂柏，張熇．月球探測器技術［M］．北京：中國科學技術出版社，2007：4-17 Chu Guibai，Zhang He．Lunar explorer technology［M］．Beijing：China Science and Technology Press，2007：4-17（in Chinese）

［2］Daven Maharaj．Moon express unveils breakthrough“MX-1”commercial lunar lander［EB／OL］．［2013-12-05］．http：／／www．moonexpress．com

［3］John F Connolly． Constellation program overview［EB／OL］．［2013-12-05］．http：／／www．nasa．gov／pdf／163092main＿constellation＿program＿overview．pdf

［4］J D Carpenter，R Fisackerly，D De Rosa，et al．Scientific preparations for lunar exploration with the European lunar lander［J］．Planetary and Space Science，2012，74（1）：208-223

［5］魯暘筱懿，平勁松，V．Shevchenko．俄羅斯“月球-全球”和“月球-資源”探月任務［J］．航天器工程，2013，22（4）：103-108 Lu Yangxiaoyi，Ping Jinsong，V．Shevchenko．Russian lunar exploration missions：LUNA-Glob ＆LUNA-Resource［J］．Spacecraft Engineering，2013，22（4）：103-108（in Chinese）

［6］Diego De Rosa，Ben Bussey．Characterisation of potential landing sites for the European Space Agency’s lunar lander project［J］．Planetary and Space Science，2012，74（1）：224-246

［7］Benjamin Vanoutryve，Diego De Rosa，Richard Fisackerly，et al．An analysis of illumination and communication conditions near lunar south pole based on Kaguya data［C］／／Proceedings of the 7th International Planetary Probe Workshop，2010．Washington D．C．：NASA，2010

［8］郝衛峰，李斐，鄢建國，等．基于“嫦娥一號”激光測高數據的月球極區光照條件研究［J］．地球物理學報，2012，55（1）：46-52 Hao Weifeng，Li Fei，Yan Jianguo，et al．Lunar polar illumination based on Chang’e-1laser altimeter［J］．Chinese Journal Geophysics，2012，55（1）：46-52 （in Chinese）

［9］Richard W Malmstr?m，Amy Lo，Nathan S Brown，et al．Continuous communications to the moon’s south pole［C］／／Space 2006Proceedings．Washington D．C．：AIAA，2006：1-8

［10］鄭永春，張鋒，付曉輝，等．月球上的水：探測歷程與新的證據［J］．地質學報．2011，85（7）：1069-1078 Zheng Yongchun，Zhang Feng，Fu Xiaohui，et al．Water on the moon：exploration history and new evidence［J］．Acta Geologica Sinica，2011，85（7）：1069-1078（in Chinese）