《绕月探测工程科学目标专题研究》书评-杂志之家

内容简介

《绕月探测工程科学目标专题研究》主要收录了自绕月探测工程立项以来有关月球探测科学目标与科学探测数据的分析与研究所获得的成果，共收录论文109篇。研究成果涵盖了综合性成果、月表形貌、物质成分、微波与月壤特性、空间环境和其他相关问题的研究成果，是我国首次月球探测科学目标研究成果的系统总结。

《绕月探测工程科学目标专题研究》所收集论文源自多种学术期刊，各源刊格式标准可能不统一，本着尊重历史、忠于原著的精神，所用物理量单位、符号、图例、参考文献等尽量保留了原文风貌。

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《绕月探测工程科学目标专题研究》可供月球科学、深空探测等相关专业的大专院校教师、研究生与高年级本科生，科研院所相关科研与技术人员参考。

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及时部分综合性成果

月球探测发展历程及启示?

邓连印崔乃刚

(哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨150001)

摘要从1959年到1976年，前苏联和美国发射了多种系列的月球探测器，他们采用了最早的深空探测技术和探测方式，并获得了宝贵的成果和丰富的经验，掀起了世界及时次探月高潮；1976—1994年国际上将深空探测的重点转向了火星和对空间站的研制，没有进行过任何成功的月球探测活动，出现了其后的相对月球探测宁静期；20世纪末，美国的"克莱门汀"号和"月球勘探者"号成功获取了月球的新发现，世界航天大国相继宣布了以月球为中心的深空探测计划，并纷纷发射月球探测器，将月球探测又推向了一个新的高潮。根据目前"嫦娥一号"的新技术和他国的月球探测情况，对我国未来月球探测进行展望，以在今后国际月球探测活动中占据主要位置。

关键词探月活动探月计划展望启示

1 引言

人类渴望探索未知世界，开拓奇妙的宇宙。月球作为地球的一颗天然卫星，从古到今一直牵动着人类的梦想。1986年美国康斯维辛大学的研究人员从月球的岩石和沙粒中提取氧气的时候，发现了月球岩石中含有丰富的3He核动力资源，因此可以设法将月球上的3He运回地球或者直接在月球上建立可控核聚变的核电站。同时在月球上建立太阳能电站也是空间利用太阳能的有益尝试，是解决全球未来能源问题的有竞争力的方案。月球还有可能成为人类开展深空探测研究，寻找"地外文明"，开展对宇宙星球(如火星)的探测、开发等研究工作的中转站或基地。近几年来，许多国家的政府机构、公司和科学家都在竞相策划或实施准备向月球移民的试验，并提出了建设月球基地的方案和月球城市的构想[1~2]。

此外，由于月球上土壤成分与地球上的相似，以及月球周围所具有的无大气包围、无电离层、无辐射、弱重力、弱磁场的空间环境，为某些特殊工业生产提供了有利的条件，如微重力材料加工、蛋白质体生长、薄膜半导体材料、编晶合金、砷化镓等光电晶体生长、共晶生长等的试验、生产加工以及医学和药品的试验加工等[3]，许多科学家认为在今后的几个世纪里月球将成为太阳系的工业中心。同时，月球也是天体物理研究的良好场所，开展月-地空间环境的测量、对地和宇宙观测，可为将来的深空探测任务创造更好的条件。从现实和长远来看，月球对人类生存发展有着特殊的意义和价值，对月球的探测和开发，是世界强国实现其科学、经济、政治、军事方面经验丰富地位的有力途径[4~5]。

2 各国月球探测活动及计划

自1959年开始月球探测至今，人类共进行了123次月球探测活动。其中，美国56次(包括10次载人月球探测)、前苏联64次、中国1次、日本2次，欧空局1次[6]。20世纪六七十年射的月球探测器有108个，主要集中在美国和前苏联两个超级大国，形成了美苏争霸时期的探月高潮。70年代末到90年代初，美国停止了阿波罗登月计划，将宇宙探测的重点转向了火星等其他星体，而前苏联将重点转向了空间站，世界各国均未对月球进行新的探测，人类月球探测进入一个宁静期。1994年，美国发射了"克莱门汀"(Clementine)月球探测器，随后俄罗斯、欧洲、日本等也纷纷提出了各自的发展计划，形成了月球探测的第二次高潮。

2。1 美苏争霸时期(1959—1976)：及时次探月高潮

19世纪50年代末开始，在冷战的背景下，美国和前苏联展开了激烈的空间竞赛，而月球探测是初期深空探测的重点。他们通过发射月球探测器完成了对月球表面的探测，并带回了大量的照片和样本。前苏联在这17年的时间里共发射了47颗无人月球探测器，主要有"月球"(Luna)系列、"宇宙"(Cosmos)系列及"探测器"(Zond)系列。美国也制订了庞大的探月计划，发射了23颗无人月球探测器，主要包括："先驱者"(Pioneer)系列、"徘徊者"(Ranger)系列、"月球轨道器"(Lunar orbiter)系列、"勘测者"(Surveyor)系列、"阿波罗"(Apollo)系列探测器等[7]。

1) 主要成功的探月活动及其成果

在初始阶段，月球探测主要采用击中月球(硬着陆)、飞越月球和绕飞月球拍摄月球表面照片的探测方式。1959年，前苏联发射的月球1号首次成功脱离了地球的引力，从距月面7500m的高处飞过，成为人类历史上及时颗近月飞行的人造卫星。月球2号首次采取了月面硬着陆，实现了从地球到另一个天体的飞行。月球3号拍摄了月球背面70%的照片，它是人类首次获得的月面照片。美国在1964—1965年发射的"徘徊者7—9号"都采用了硬着陆方式，发回了高分辨率的月面照片[8~9]。

随着空间技术的发展和对月球了解的深入，不同的月球探测方式不断出现，对飞行任务也提出了更高的要求，前苏联和美国主要采用的探月方式有四种：

环月飞行当探测器到达月球附近(如近月点)时，用制动发动机减速，使之成为沿月心椭圆(或圆)轨道运动的月球卫星。月球卫星可长期对月面和近月空间进行探测，绘制全月面地形图、地貌图和地质图，并可选择登月的着陆位置。此类探测器主要有前苏联的1966年发射的"月球10号"、"月球11号"和"月球12号"，还有此后的"月球14号"、"月球19号"和"月球22号"都拍回了大量近距离月面照片。美国的"月球轨道器1—月球轨道器5"同时也进行了环月飞行，发回了大量的电视照片，并为阿波罗飞船选择登月地点。"阿波罗15"和"阿波罗16"释放的P与FJ卫星也分别进行了环月飞行。

月面软着陆(包括携带月球车进行月面巡游) 探测器在落向月面的过程中用制动发动机减速，使到达月面时的速度接近零。探测器可近距离拍摄月球照片和测定月面土壤的各种物理特性，分析其化学成分，并进行月面辐射和磁场等研究。若携带月球车，则还可以探测月面上不同地点。1966年前苏联的"月球9号"和"月球13号"采取了月面软着陆的方式，9号是人类历史上首次在月球上成功软着陆的航天器，并发回了月球的全景影像；13号进行了月壤力学测定，并发回电视全景照片。随着技术的进步，1970年"月球17号"在月面软着陆后，携带的世界上及时辆自动月球车" 月球车1号"在月球上行程共10540m，考察了8000m2月面地区，拍摄了200幅月球全景照片和2万多张月面照片，直到1971年10月核能耗尽才停止工作。1973年的"月球21号"(携带"月球车2号")还测量了月球的磁场、辐射、土壤，并进行了激光定位和摄影。美国的"勘测者"(Surveyor)系列也是成功实现月面软着陆方式的典型代表，如1966年发射的"勘测者1号"、1967年的"勘测者3号"、"勘测者5号"和"勘测者6号"，1968年的"勘测者7号"都是月面软着陆的探测器，实现软着陆后，它们成功地发回大量的电视照片和化学分析数据[10～11]。

自动取样并返回探测器先飞向月球并在月面软着陆，待完成月面任务后，再从月面垂直起飞，返回地球。这种飞行方式除了可以完成月面软着陆科学探测任务外，更重要的是可以将月球土壤和岩石样本带回地球，以便进行更为详细的研究。前苏联于1970年发射的"月球16号"探测器，在月球丰富海地区软着陆后，其自动挖掘机在月面上钻了个0。35m深的孔，取出100g土壤品并成功地送回了地球，开创了深空探测史上无人探测器自动挖取外星球岩石样品，并自动送回地球的先河。而后的"月球20号"和"月球24号"也采用了自动月球车，对月壤深处进行取样，并成功地返回地球[12～13]。

载人登月一般先使探测器成为月球卫星，然后登月舱在月面软着陆；返回时登月舱先上升至月球卫星轨道，与留轨舱对接，再回到地球。这种探测方式除了可以完成其他3种飞行方式所能完成的所有科学探测任务外，还能完成许多无人探测器所不能完成的科学研究和实验。载人登月本身就是人类航天活动的巨大成就，同时它还可以为人类在月球上建立基地和进入更遥远的太空积累资料。1969年美国的"阿波罗11"，首次实现了人类登上月球的伟大壮举，它在月面停留21h 36min，宇航员工作2h 10min，采集标本28kg，把人类的脚印留在月球。随后，美国在1970—1972年相继发射了"阿波罗12"至"阿波罗17"探测器，都采取了载人登月的方式，并且带回了大量的月球样品。"阿波罗13"因中途发生故障，绕月后返回，未能实现登月[14~15]。

通过这个阶段的月球探测，人类获得了极其丰富的研究数据。使人类对月球的形状、大小、近地空间环境、月球轨道参数、月球表面的构造与特征、月球的岩石类型与化学组成、月球的资源与能源、月球内部构造与演化历史等方面的研究，取得了一系列突破性的进展，在月球的起源和地月系统的相互作用与影响方面获得了新的认识。

2) 探测失败的经验教训

月球探测工程极其复杂，需由运载火箭、空间探测器和测控网等系统协调完成，而这些系统是由成千上万个零部件组成的。对于如此庞大的系统，任何一个零部件出现故障，都有可能导致整个探测任务的失败。自1958年开始前苏联执行第1次月球探测任务以来，失败率高达48。7%，美国的失败率也高达34%。

首先，运载火箭容易发生故障，1958—1959年，美国共发射5枚先驱者系列探测器，前4次因火箭推力不足均失败，只有"先驱者4号"勉强成功，但也只是远距离飞越月球。美国还发射了多枚"艾布尔"系列探测器，但因运载故障而全部失败。1962年美国用宇宙神-阿金纳–B火箭发射了徘徊者–3月球轨道器，试图撞击月球。由于火箭制导系统失灵，最终失败。前苏联在1965—1969年发射的"宇宙"系列探测器，发生故障的部位多集中在运载火箭的上面级。

探测器故障造成的失败也占有重要比例。1962年，宇宙神-阿金纳-B火箭发射了徘徊者–4号月球轨道器，试图首次实现月球撞击，但由于探测器上的计算机计时器和程序发生错误，太阳电池翼一直未能打开，飞行10h后，仪器设备停止工作。1966年，"大力神-半人马座"(Titan-Centaur)火箭发射了勘测者-2月球轨道器，做月球软着陆尝试，但由于探测器的3台微调发动机中的1台发动机点火故障造成中段修正失败，使探测器失去了控制，坠毁于月球。

此外，还有测控网故障等造成的失败，1959年1月2日，东方号火箭发射了月球–1探测器，任务是撞击月球。由于无线电控制地面站的一些失误，未能实现撞击月球，火箭第3级和探测器在距离月球5995km时信号丢失，变成了世界上及时个人造太阳卫星[16~17]。

还有，由于当时特殊的国际政治环境和技术管理能力方面的缺陷，也导致一些月球探测任务的失败。20世纪五六十年代，前苏联和美国在航天领域展开了激烈竞争，在月球探测活动中互相追逐，都希望抢在对方的前面进行月球探测器或飞船的发射，许多研制和发射试验都是仓促进行的，准备极不充分，甚至出现了某些火箭系列发射全部失败的惨痛局面，如"雷神-艾布尔"、"宇宙神-艾布尔"、N–1和宇宙号火箭。为了同美国"阿波罗"登月计划竞争，前苏联设计了一种体积过大，结构复杂，未经过充分地面试验的庞然大物——N–1运载火箭。N–1火箭结构过于复杂，发动机点火和级分离次数过多，火箭气动稳定性和控制相当困难，加之未进行充分的地面试验，最终导致N–1火箭4次发射全部失败。

前苏联在早期探月活动中，由于缺少顶层设计所导致的设计局间的竞争也阻碍了其探月计划的进展。前苏联领导层缺乏对探月计划及其风险的认识，不同的设计局负责不同的探月计划，每个设计局又缺少顶层设计，各设计局之间恶性竞争也严重阻碍探月计划的进展。正是这种不同设计局之间的利益关系，导致了他们为了政治利益及资金支持而展开竞争，也正是这种恶性竞争造成了大量的人力与财力资源的重复浪费[18]。

2。2 月球探测相对宁静时期(1977—1993年)

自1976年以来，直到1994年国际上没有进行过任何成功的月球探测活动，出现了人类月球探测高潮后的相对宁静期。原因主要有三个方面：一是前苏联和美国两个超级大国为争夺空间霸权而掀起的竞争，是冷战的产物，随着冷战形势的缓和，加之前苏联的解体，空间霸权的争夺有所缓解；二是经过及时次月球探测高潮，获得了丰富宝贵的数据与资料

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