嫦娥四號月球背面南極-艾特肯盆地著陸區(qū)選擇

李飛 趙洋 楊眉 張熇 吳學(xué)英（中國空間技術(shù)研究院）

嫦娥四號實現(xiàn)了人類首次月球背面軟著陸。選擇既滿足工程約束又具有較高科學(xué)價值的著陸區(qū)，是著陸任務(wù)設(shè)計需要解決的首要問題之一。嫦娥四號著陸區(qū)選擇在月球背面南極-艾特肯（South Pole-Aitken，SPA）盆地內(nèi)，同嫦娥三號平坦的虹灣著陸區(qū)相比，月球背面地貌以高地為主，遍布撞擊坑，地形較為崎嶇，存在無大面積平坦區(qū)域和地形可能對著陸區(qū)內(nèi)探測器造成光照、測控遮擋等難題。本文對嫦娥四號著陸區(qū)選擇的影響因素進行分析，歸納出科學(xué)和工程共計10個影響因素，提出了基于實現(xiàn)性、可達性、安全性的著陸區(qū)多層次優(yōu)選方法。

1 引言

嫦娥四號探測器于2019年1月3日著陸于月球背面馮·卡門撞擊坑預(yù)選著陸區(qū)，實現(xiàn)了人類首次月球背面軟著陸，開展就位與巡視探測，并通過中繼星將探測數(shù)據(jù)傳輸回地球。月球背面分布著大量高地地形，遍布著撞擊坑。在月球背面的南部分布著著名的SPA盆地，嫦娥四號任務(wù)的月面探測區(qū)域就選擇在這里。相比嫦娥三號任務(wù)的虹灣著陸區(qū)而言，SPA盆地存在兩個方面的明顯差異：一是虹灣屬于平坦的月海地形，而SPA盆地屬于高地地區(qū)，地形更加崎嶇復(fù)雜，很少有大面積的平坦區(qū)域；二是SPA盆地內(nèi)眾多的撞擊坑邊沿可能對探測器的通信和光照造成遮擋。

因此需要充分考慮上述因素，在SPA盆地內(nèi)進一步優(yōu)選著陸區(qū)，一方面確保著陸的安全，另一方面保證著陸器和巡視器著陸后滿足測控中繼、能源、熱控等條件以正常開展探測工作。此外，還需要考慮工程可實現(xiàn)性，因為嫦娥四號著陸器、巡視器主要繼承嫦娥三號著陸器、巡視器平臺產(chǎn)品。

2 月球著陸區(qū)選擇概述

自1966年蘇聯(lián)的月球-9（Luna-9）著陸器至2013年中國的嫦娥三號探測器，人類共計有20個探測器實現(xiàn)了月球軟著陸（包括6次載人的“阿波羅”任務(wù)）。在歷次月球著陸任務(wù)中，蘇聯(lián)、美國和中國均將著陸點選取在月球正面的中低緯度區(qū)域，尚未有探測器選擇在月球背面著陸。主要原因包括：第一，月球正面地形地貌以月海為主，其地勢寬闊平坦便于探測器著陸，而背面高地居多，其表面撞擊坑密度更高，地形更崎嶇，著陸的風(fēng)險也相對更大；第二，由于月球自轉(zhuǎn)周期與公轉(zhuǎn)周期時長相同，月球總是以相同的一面朝向地球，探測器著陸至月球背面后無法實現(xiàn)對地直接通信，極大地增加了任務(wù)的難度和復(fù)雜度。但是，鑒于月球背面的位置特殊性，使其具有月球正面所不具備的特點，對其探測將會獲得更為豐厚的科學(xué)回報。一方面，它屏蔽了來自地球的各類無線電信號，是對宇宙電磁波譜探測的最佳地點；另一方面，具有月球最大、最深、最古老的SPA盆地，保存了月球的早期信息，因此對于研究月球和地月系的初期歷史和演化、深層次的構(gòu)造和成分具有重要意義。

嫦娥四號主、備著陸區(qū)

歐洲航天局（ESA）、美國國家航空航天局（NASA）等組織對月球背面著陸開展了預(yù)先研究工作，基本都將著陸區(qū)定位在SPA盆地內(nèi)。如ESA的“宇宙遠(yuǎn)景”（Cosmic Vision）計劃的第4次中級任務(wù)（M4）候選任務(wù)“月球背面”（FARSIDE），原計劃在2025年發(fā)射探測器著陸到月球背面的SPA的中央?yún)^(qū)域，但未給出具體的范圍（該計劃目前已取消）。NASA在2005年提出的“月出”（MoonRise）方案的SPA采樣返回任務(wù)中也未給出詳細(xì)位置。NASA聯(lián)合高校提出的地月L2-月球背面載人探測任務(wù)中，選擇機器人的著陸區(qū)為SPA的薛定諤盆地（Schr?dinger Basin）內(nèi)部相對平坦的區(qū)域，中心位置為75°S，132.4°E，整個盆地直徑320km，深度約4km。選擇薛定諤盆地的原因是由于它是較為年輕的、保存最好的撞擊盆地，具有較高的科學(xué)價值。

由于國外任務(wù)均處于預(yù)研階段，所以大多數(shù)未開展較為深入的著陸區(qū)選擇方法研究，或者僅從科學(xué)價值上給出了初選區(qū)域。嫦娥四號任務(wù)的著陸區(qū)選擇有較大的不同，因為其探測器和技術(shù)均具有一定繼承性，因此著陸區(qū)選擇受到科學(xué)上、工程上多項影響因素的約束。

3 著陸區(qū)選擇影響因素分析

嫦娥四號從科學(xué)需求、工程可實現(xiàn)的角度，選擇著陸區(qū)需要考慮以下因素。

科學(xué)探測需求

嫦娥四號任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)為：①低頻射電天文觀測與研究；②著陸區(qū)地質(zhì)特征探測與研究；③月球背面月表環(huán)境探測與研究。SPA盆地的范圍是從月球的南極延伸到直徑135km的艾特肯（Aitken）撞擊坑，是太陽系中已經(jīng)識別的規(guī)模最大的撞擊盆地之一，探測SPA盆地具有較高的科學(xué)價值和意義。SPA盆地的中心緯度位于40°S～60°S，中心經(jīng)度位于180°附近，直徑達2000～2600km。

深部月殼和月幔成分是當(dāng)今月球科學(xué)研究的關(guān)鍵問題之一，對于了解月球形成初期的分異作用，探究月球的二分性（即月球正面和背面的地形地貌、結(jié)構(gòu)、物質(zhì)成分、月殼厚度的分布等具有的明顯差異）的成因具有重要意義。但是，目前尚無法通過遙感手段直接獲得準(zhǔn)確的深部月殼和月幔的成分。SPA盆地是最有可能發(fā)現(xiàn)月幔物質(zhì)的盆地。因此，它是探測和研究深部月殼及月幔物質(zhì)的理想?yún)^(qū)域。

工程實現(xiàn)需求

（1）對中繼星通信需求

月球背面南極-艾特肯盆地

中繼星的使命軌道是位于地月L2平動點的暈軌道。軌道的平均周期約為14天，中繼星距月不超過8×104km。為確保中繼數(shù)據(jù)傳輸時間，應(yīng)盡可能保證所選擇著陸區(qū)對中繼星使命軌道指向無月球本體遮擋，著陸區(qū)經(jīng)度方向?qū)υ撜趽跤幸欢ㄒ蟆?/p>

（2）熱控適應(yīng)能力需求

月球緯度越低，即越靠近赤道，則對應(yīng)位置的正午太陽高度角就越高，著陸于該位置的探測器的溫度就會越高。嫦娥四號探測器熱控分系統(tǒng)充分繼承了嫦娥三號探測器的熱控設(shè)計狀態(tài)，因此嫦娥四號著陸區(qū)緯度應(yīng)同嫦娥三號相近。嫦娥三號實際著陸位置約為44.1°N，通過實際在軌月晝工作溫度數(shù)據(jù)分析，可得到滿足熱控分系統(tǒng)的適應(yīng)能力的緯度范圍。熱控能力對著陸區(qū)經(jīng)度無要求。

（3）月面能源供給需求

月球緯度越高，即越靠近極區(qū)，則對應(yīng)位置的正午太陽高度角就越低，著陸于該位置的探測器所獲取的能源就會越少。嫦娥四號探測器電源分系統(tǒng)繼承嫦娥三號技術(shù)狀態(tài)，因此嫦娥四號著陸區(qū)緯度應(yīng)同嫦娥三號相近。著陸區(qū)緯度應(yīng)滿足電源系統(tǒng)的發(fā)電能力和器上的功率需求。能源供給能力對著陸區(qū)經(jīng)度無要求。

（4）航跡高程起伏變化

由于月球背面的地形起伏較大，在動力下降過程中，著陸器制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制（GNC）分系統(tǒng)將在預(yù)定高度引入導(dǎo)航敏感器的測距信息。航跡高程大尺度變化可能影響著陸安全性，需要航跡高程起伏變化盡可能小，滿足控制系統(tǒng)需求。

（5）著陸區(qū)范圍需求

SPA盆地內(nèi)地形崎嶇復(fù)雜，無法找到類似嫦娥三號任務(wù)大范圍平坦的著陸區(qū)，因此要求嫦娥四號著陸區(qū)在滿足各項軌道預(yù)報誤差、在軌控制誤差的情況下，盡可能縮小范圍，以尋求相對平坦的月面區(qū)域。

1）在經(jīng)度方向上需考慮如下因素：①中途修正、近月制動等軌控誤差的影響，環(huán)月軌道傾角相對標(biāo)稱設(shè)計值會存在一定誤差，需考慮該誤差在著陸區(qū)經(jīng)度方向的傳遞。②為進一步縮小著陸區(qū)經(jīng)度范圍，可考慮在100km×100km環(huán)月運行時根據(jù)環(huán)月后軌道預(yù)報情況，擇機進行一次軌道面調(diào)整變軌機動，將著陸點經(jīng)度偏差縮減，會帶來少量速度增量的增加。③通過動力下降過程中打靶仿真，動力下降過程中導(dǎo)致的著陸區(qū)經(jīng)度方向存在千米級的偏差。

2）在緯度方向上，在考慮動力下降初始點軌道預(yù)報誤差、著陸器7500N發(fā)動機推力偏差等因素后，應(yīng)通過動力下降仿真打靶計算著陸區(qū)緯度方向的偏差。

綜上分析，著陸區(qū)經(jīng)度方向范圍為±（1°～2°），緯度方向范圍為±（0.5°～1°）。

（6）動力下降測控弧段需求

滿足著陸前測定軌精度和上行數(shù)據(jù)注入等在軌操作的要求，以及著陸后地面站具備對中繼星較長時間連續(xù)弧段的測控能力。

（7）著陸時太陽高度角的約束

為滿足著陸過程GNC導(dǎo)航敏感器、降落相機工作及著陸后狀態(tài)設(shè)置、兩器分離等操作的需要，著陸時刻太陽高度角的要求滿足一定的范圍，且盡可能小。

（8）軌道可達性的需求

按照嫦娥三號的軌道設(shè)計，環(huán)月軌道為90°傾角，考慮月球自轉(zhuǎn)規(guī)律，每一圈對應(yīng)的器下點不同，即嫦娥三號對應(yīng)不同發(fā)射窗口和著陸窗口的著陸點均不同。由于月球背面地形崎嶇復(fù)雜，很難找到類似嫦娥三號的大面積滿足著陸條件的地區(qū)，嫦娥四號月球背面著陸需要結(jié)合軌道可達性，優(yōu)化環(huán)月軌道設(shè)計，最終確定著陸點。

（9）具備推遲著陸的需求

考慮在軌故障的可能，應(yīng)具備推遲一天的著陸能力。推遲一天著陸，器下點向西變化約13°，因此要求在主著陸區(qū)向西13°左右選擇備選著陸區(qū)。月球背面重力場復(fù)雜，環(huán)月軌道攝動明顯，需結(jié)合環(huán)月軌道近月點高度和近月點幅角攝動漂移情況，考慮主、備著陸區(qū)的高程差，以滿足動力下降初始點的高度和緯度需求。

4 著陸區(qū)優(yōu)選分析

由前所述，著陸區(qū)選擇受到多重因素的制約。在滿足科學(xué)探測需求的前提下，本文提出了嫦娥四號著陸區(qū)的多層次優(yōu)選方法，主要思路為分別根據(jù)任務(wù)的實現(xiàn)性、可達性、安全性依次逐步選擇并縮小著陸區(qū)的范圍。

步驟一：實現(xiàn)性

由于嫦娥四號充分繼承了嫦娥三號，因此要求著陸區(qū)應(yīng)盡可能適應(yīng)嫦娥三號的通信、熱控和電源的能力，以確保可在月面長期正常工作。特別對于新增的中繼需求，在安全著陸后，應(yīng)結(jié)合中繼星軌道設(shè)計，確保著陸器、巡視器對中繼星的通信鏈路全時段可見。熱控、電源因素限制著陸區(qū)的緯度方向，中繼通信因素約束著陸區(qū)經(jīng)度方向，以此初步篩選出SPA內(nèi)大范圍的區(qū)域。

步驟二：可達性

對環(huán)月軌道進行優(yōu)化設(shè)計，在步驟一選擇的區(qū)域內(nèi)給出器下點所覆蓋的區(qū)域，并考慮通過增加環(huán)月軌道面調(diào)整的變軌機動以增加可到達區(qū)域，進一步縮小著陸區(qū)范圍。

步驟三：安全性

著陸區(qū)應(yīng)滿足動力下降安全著陸的要求和月面長期工作的安全性要求。需要考慮的主要因素包括著陸區(qū)的地形平坦性，地形對光照、測控遮擋情況，以及具備推遲一天著陸的故障應(yīng)對能力。其中地形平坦性需要考慮坡度、撞擊坑和石塊分布等因素。根據(jù)上述因素，在步驟二所選區(qū)域內(nèi)，最終選擇出主著陸區(qū)和備著陸區(qū)兩個著陸區(qū)，每個著陸區(qū)范圍為經(jīng)度±2°、緯度±1°，備選著陸區(qū)位于主著陸區(qū)向西13°左右，任務(wù)以主著陸區(qū)著陸為主，如在軌發(fā)生故障，推遲一天后著陸在備選著陸區(qū)。具體選擇方法：以兩個長方形區(qū)域（經(jīng)度±1.2°、緯度±0.5°）為一組在步驟二所選擇的區(qū)域內(nèi)進行遍歷搜索，其中兩個長方形在經(jīng)度方向上相差13°左右，緯度方向上基本一致。對每個長方形區(qū)域均開展坡度分析、撞擊坑分布分析、石塊分布分析、地形對光照與測控遮擋分析，根據(jù)分析結(jié)果對每對長方形區(qū)域進行評分，根據(jù)評分的情況確定最終的著陸區(qū)。

嫦娥四號著陸區(qū)的多層次優(yōu)選方法

SPA盆地中滿足實現(xiàn)性原則的范圍

主著陸區(qū)高程分布圖

備著陸區(qū)高程分布圖

針對步驟一進行分析，滿足條件的著陸區(qū)位于經(jīng)度180°±19°，緯度40°S～55°S的范圍內(nèi)。該區(qū)域高程為-8291.5～7430.5m，高程起伏較大，撞擊坑密布，大范圍平坦區(qū)域較少。

針對步驟二和步驟三兩個方面，經(jīng)過多輪反復(fù)迭代分析，選擇的主備著陸區(qū)如下：

主著陸區(qū)范圍如上圖方框所示。主著陸區(qū)位于馮·卡門撞擊坑?xùn)|南部，范圍約為50km×30km。馮·卡門撞擊坑直徑約190km，深度約5km，其坑底直徑約140km，中央峰高度約1.55km。

備選著陸區(qū)位于主著陸區(qū)西側(cè)，坐落在克雷蒂安（Chretien）撞擊坑內(nèi)，該撞擊坑直徑約為140km，深度約為1.8km，坑底直徑約為125km。克雷蒂安撞擊坑沒有中央峰。

5 結(jié)論

為應(yīng)對月球背面崎嶇復(fù)雜的地形條件，提高任務(wù)可靠度，本文充分分析了嫦娥四號任務(wù)著陸區(qū)選擇的影響因素，并提出了基于實現(xiàn)性、可達性、安全性的著陸區(qū)多層次優(yōu)選方法。第一步從科學(xué)探測需求和工程可實現(xiàn)角度在SPA盆地內(nèi)初選出經(jīng)度 1 80°±19°、緯度 4 0°S～ 5 5°S的區(qū)域；再進一步考慮軌道、動力下降誤差以及月面地形地貌條件等因素，從可達性和安全性角度精選出馮·卡門（Von Karman）撞擊坑內(nèi)主著陸區(qū)（177.6°E±1.2°，45.5°S±0.5°）和克雷蒂安撞擊坑內(nèi)的備著陸區(qū)（163.1°E±1.2°，46.1°S±0.5°）。