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  • 月球探测器

    探测月球的航天器。月球探测的目的是了解太阳系的起源、演变史,了解月形、月貌、月质,探索、开发和利用月球资源,建立月球基地和人类定居点。第二次世界大战后,世界上分成为以美国和苏联为首的两大阵营,这两大阵营进行了政治和经济的竞赛,太空竞赛也是其中的一个重要方面。在太空竞赛中,苏联首先发射了第一颗人造卫星,并第一个将人送上了天,这大大刺激了美国人,美国的肯尼迪总统在1961年提出了;“我们的国家应当在这个十年结束之前,实现将人送上月球并使之安全返回地球这一目标。”在“把苏联人摔倒在月球上”口号的激励下,美国实现了载人登月的伟大壮举。因此拥有月球探测器成为一个国家强盛的标志之一。

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    基本信息/月球探测器 编辑

    月球探测器月球探测器

    月球是离地球最近一个天体,相距有38.4万千米。天文学家早已用望远镜详细地观察了月球,对月球地形几乎是了如指掌。月球上有山脉平原,有累累坑穴和纵横沟壑,但没有水和空气,昼夜之间温差悬珠,一片死寂和荒凉。尽管巨型望远镜能分辨出月球上50米左右的目标,但仍不如实地考察那样清楚。因此,人类派出使者最先探访的地外天体仍选择了月球。月球是远离地球的星球,人们从地球上可以看到月球,但是对于月球上的具体情况和地貌、地质结构是一无所知的。月球表面的地质是否可以承受登月舱的压力?登月舱应该在什么地方着陆?着陆后航天员能在月面上行走吗?人在月球上安全吗?,这些问题都是未知数。为了解答这些问题,美国和苏联发射了很多月球探测器作为载人登月的先行者。

    美国最早于1958年8月18日发射月球探测器,但由于第一级火箭升空爆炸,半途夭折了。随后又相继发射3个先锋号探测器,均告失败。1959年1月2日,前苏联发射月球1号探测器,途中飞行顺利,1月4日从距月球表面7500千米的地方通过,遗憾的是未能命中月球。这个探测器重361.3千克,上面装有当时最先进的通信,探测设备。它在9个月后成为第一颗人造行星飞往太空深处。月球1号发射两个月后的3月3日,美国发射的先锋4号探测器,从距月面59000千米的地方飞过,也未击中月球。

    从1958年至1976年,前苏联发射24个月球号探测器,其中18个完成探测月球的任务。1959年9月12日发射的月球2号,两天后飞抵月球,在月球表面的澄海硬着陆,成为到达月球的第一位使者,首次实现了从地球到另一个天体的飞行。它载的科学仪器舱内的无线电通信装置,在撞击月球后便停止了工作。同年10月4日月球3号探测器飞往月球,3天后环绕到月球背面,拍摄了第一张月球背面的照片,让人们首次看全了月球的面貌。世界上率先在月球软着陆的探测器,是1966年1月31日发射的月球9号。它经过79小时的长途飞行之后,在月球的风暴洋附近着陆,用摄像机拍摄了月面照片。

    月球探测器月球探测器

    这个探测器重1583千克,在到达距月面75千米时,重100千克的着陆舱与探测器本体分离,靠装在外面的自动充气气球缓慢着陆成功。1970年9月12日发射的月球16号,9月20日在月面丰富海软着陆,第一次使用钻头采集了120克月岩样口 ,装入回收舱的密封容器里,于24日带回地球。1970年11月10日,月球17号载着世界上第一辆自动月球车上天。17日在月面雨海着陆后,月球车1号下到月面进行了10个半月的科学考察。这辆月球车重756千克,长2.2米,宽1.6米,装有电视摄像机和核能源装置。它在月球上行程10540米,考察了8千平方米月面地域,拍摄了200幅月球全景照片和20000多张月面照片,直到1971年10月4日核能耗尽才停止工作。1973年1月8日发射月球21号,把月球车2号送上月面考察取得更多成果。最后一个月球24号探测器于1976年8月9日发射,8月18日在月面危海软着陆,钻采并带回170克月岩样品。至此,前苏联对月球的无人探测宣告完成,人们对月球的认识更加丰富和完整了。

    美国继前苏联之后,先后发射了9个徘徊者号和7个勘测者号月球探测器。徘徊者探测器样子像个大蜻蜓,长3米,两翼太阳能电池板展开4.75米。探测仪器装在前部,电视摄像机放在尾部。勘测者探测器有3只脚,总重达1吨,装有当时最先进的探测设备。最初5个徘徊者探测器均无建树,直到1964年1月30日发射的徘徊者6号才在月面静海地区着陆。但由于电视摄像机出现故障,没有能够拍回照片。同年7月28日徘徊者7号发射成功,在月面云海着陆,拍摄到4308张月面特写照片。随后1965年2月17日发射的徘徊者8号和3月24日发射的徘徊者9号,都在月球上着陆成功,并分别拍回7137张和5814张月面近景照片。1966年5月30日发射勘测者1号新型探测器,经过64小时的飞行,在月面风暴洋软着陆,向地面发回11150张月面照片。到1968年1月1日发射的7个勘测者探测器中,有2个失败,5个成功。后来,美国又发射了5个月球轨道环行器,为阿波罗载人登月选择着陆地点提供探测数据。经过这一系列的无人探测之后,月球的庐山真面目显露出来了。

    工作原理/月球探测器 编辑

    月球探测器月球探测器工作轨道

    第一步是飞越月球。1959年1月2日苏联发射了月球1号探测器,两天后它从距月球6000千米处飞过,首次探访了月球。同年10月7日,月球3号探测器在飞过月球时,拍摄了月球背面的第一张照片。随后,美国相继发射了数个月球探测器飞近月球或围绕月球飞行,拍摄了一批高清晰的月面照片。

    第二步是用探测器击中月球。1959年9月12日,苏联发射的月球2号探测器击中月面,成为第一个到达月面的人造物体。它得探测表明,月球没有磁场,月球周围没有辐射带。1964年7月28日,美国徘徊者7号在月球云雾海地区硬着陆,用6台电视摄像机向地面传回4308幅月面照片。

    第三步是用探测器在月面软着陆1966年2月3日,苏联发射的月球9号首次在月球上的风暴洋软着陆成功,从月球发回一批月球全景照片。美国在1966年5月至1968年1月期间发射了17个勘测者号探测器,其中有5个在月面软着陆成功。

    第四步是环月飞行。1966年3月,苏联发射的月球10号成为第一个绕月飞行的月球卫星,测量了月球周围辐射和微流星环境。后来发射的月球11号、12号、14号、19号和22号探测器,也都成功地进入绕月球的轨道飞行,对月面进行了电视摄像探测。美国1966年8月至1967年8月发射的5个“月球轨道环行器”,共拍摄了2800多幅高清晰度的月球照片,绘制了98%的月面图,选择了载人登月5个着陆地点。

    探测发现/月球探测器 编辑

    月球探测器月球探测器

    1、月球具有自己的引力场。探测器在从地球飞往月球的过程中会经历从地球引力为主到以月球引力为主的转变过程。航天器的飞行轨道是由其所受到的引力作用决定的。对于飞行在环绕地球轨道的航天器,只需考虑地球与航天器的引力作用即可,采用二体模型;而对于月球探测器,其大部分飞行时间中是受到地球和月球两个引力场的作用,是三体问题。因此,在进行其飞行轨道设计时所使用的是三体模型。由于地球、月球卫星都在高速运动,其相对位置不断变化,月球卫星的飞行轨道比地球卫星的飞行轨道要复杂得多。

    2、月球的重力加速度为地球的1/6, 同时其重力场分布不均匀,存在一些质量聚集的“质量瘤”。在这些质量密集的地方,其重力加速度会加大。因此环绕月球运行的探测器的轨道会在引力场的作用下发生变化。为了保证探测任务的实现,需要对探测器的运行轨道进行控制,由于引力特性的不同,因此轨道控制与地球航天器也有较大不同;同时,月球引力加速度与地球不同,也造成在月面着陆的冲击作用力与地球不同,着陆缓冲的设计思路与地球着陆器也不尽相同。

    3、月球没有稳定的红外辐射。航天器在太空飞行,必须选定一定天体作为参照物,来确定航天器在空间的方向。对于地球轨道航天器,地球是最好的参照物。一般通过观测地球大气层的红外辐射可以很好地确定航天器相对地球的姿态。而月球没有可供参考的稳定红外辐射,飞到月球附近的探测器又远离地球,无法再以地球为参照物,因此确定探测器相对月球的姿态是新的问题。

    4、月球没有大气层。地球航天器在返回地球表面时,利用与大气层的摩擦作用,迅速降低航天器的飞行速度,保证在着陆撞击地面时不会破损。而月球没有大气层,因此无法利用气动减速的方法在其表面着陆。需依靠探测器自身的发动机,提供与速度方向相反的推力,来降低其相对月球的速度,保证最终的安全着陆速度。因此,对地球返回器来说非常重要的、决定与大气作用力大小和方向的气动外形对月球表面着陆探测器并不重要,不需考虑着陆过程中的大气对着陆落点的影响。

    月球探测器月球探测器

    5、月表覆盖着主要由尘埃和岩石碎屑组成的 月球表面有平均厚度5-10米的月壤,平均密度1500kg-2500kg/m3;这样的条件可保证探测器不陷落,但较松软;月球表面地形复杂,遍布月海、月陆和环形坑等。探测器需具备一定的落点调整能力,以选择适合的着陆位置,保证着陆后不倾倒,并可以获得足够的探测视野空间。

    6、月球自转与公转周期均为约27天,即月球的一个昼夜也是约27个地球日。这意味这在月面的一个地区,总是经历14天的白天后进入约14天暗无天日的黑夜。这对于主要靠太阳能来发电供仪器使用的航天器来说是非常困难的。由于没有大气层的保温和对流作用,因此月球表面随光照条件的变化,温差变化非常大。昼夜温度从零上130°C到零下上170°C。即使在临近的地点,由于受照或者处于阴影中,温度也会有很大差别。探测器的能源温控系统需在这样恶劣的情况下保证探测器的正常工作,与地球航天器有很大的不同。

    7、地月距离38万公里,月球在自转的同时围绕月球公转。为把探测器在月表探测获得数据传输回地球,必须首先保证探测器能“看见”地面上的天线。地球也在不停自转,因此地面上的一个地面站在一天内最多只能有8小时看到月面上的探测器。其次,无线电信号经过38万公里的传播会有很大衰减,以至于很难被地面站接收到。为保证把更多更好质量的信息传输到地球,必须提高探测器及地面的通信能力。

    8、对于从月面取样返回的探测器,它需要在月面上实现起飞。这和地面的发射条件不同,不可能有地面这样完备的发射场做支持。返回器回到地球的大气层时,它会有非常高的飞行速度,与大气摩擦产生的气动加热使探测器表面温度高达1万多度。这些与地球轨道返回探测器有很大不同。

    各国对比/月球探测器 编辑

    欧洲“智能1号”探测器成功撞击月球
欧洲“智能1号”探测器成功撞击月球

    20世纪人类的月球探测活动,实际上是一部美苏两国的太空竞争史。在1958年至1976年间,苏美共发射了83个无人月球探测器,其中苏联发射的47个包括“月球号”、“宇宙号”和“探测器”3个系列,而美国的36个包括“先驱者”、“徘徊者”、“月球轨道器”和“勘测者”4个系列。从简单进行月球拍照到自动采集月球样品返回地球,再到月球巡视车考察,探测器一代比一代先进,重量也越来越大。不过在1976年苏联发射了“月球24号”后,月球就不再是太空探索的最前沿目标,金星、火星、木星以及更远的地方则吸引了探测器的不断光顾。

    进入21世纪后,新一轮“探月热”开始在全球蔓延,那些技术先进、各具特色的探测器已经迫不及待地要飞赴月球一试身手。小巧轻便的欧洲“智能1号”、装备精良的日本“月亮女神”、成本低廉的印度“月球初航1号”……月球正成为新一代探测器的试验场。

    1、欧洲“智能1号”(Smart-1),(已发射)2003年9月,特色标签:高效——燃料利用效率是以往10倍。

    作为欧洲航天局发射的第一个月球探测器,“智能1号”是个长宽高1米多的立方体,它的太阳能帆板展开为14米,提供的电力为1.9千瓦,其有效载荷量虽然仅为19公斤,但却包括用于完成10多项技术试验和科学研究的仪器设备。探测器的造价约为1.08亿美元,而整个项目的花费仅1.4亿美元。

    虽然俄美日在探月活动上走在了前面,但是其探测器的动力装置都是采用化学火箭,而欧洲的“智能1号”(SMART-1)则是世界上第一个利用太阳能“电火箭”作为主要推进系统进行远距离飞行的航天器,燃料的效率比普通化学燃料发动机高10倍,因此“智能1号”在太空中遨游近3年只消耗了50多升燃料。2006年9月,“智能1号”以7000公里的时速完成了撞击月球的最后任务,科学家将从它激起的尘埃中寻找月球起源之谜的答案。

    2、日本“月亮女神”(SELENE),(已发射)2007年9月,特色标签:精密——精度是以往的100倍。

    在1990年以“飞天号”月球探测器成为世界第三大探月国家之后,日本的“月亮女神”(又名“辉夜姬”)探测器也在9月14日成功发射并于10月5日进入了环月轨道。这是日本宇宙航空研究开发机构为未来登陆月球迈出的第一步,也是继美国“阿波罗”计划之后最大的月球探测项目,总耗资约550亿日元(4.8亿美元)。

    “月亮女神”共携带荧光X射线分光计、月球雷达测深器等14台观测仪器,这在探月卫星中可谓“全身披挂”,其中有些仪器的精度是以往同类仪器的10倍乃至100倍。这些仪器可探测月球表面元素和岩石的分布、月球重力场分布以及到达月球表面的宇宙射线等,帮助专家揭示月球的诞生和演化之谜。

    中国“嫦娥一号”月球探测器中国“嫦娥一号”月球探测器

    3、中国Chang'e-1),(发射时间)2007年10月24日,特色标签:创新——多个仪器世界首创。

    作为中国绕月探测工程的第一步,10月下旬,“嫦娥一号”绕月卫星在西昌卫星发射中心升空。“嫦娥一号”卫星的外形与东方红三号卫星相似,为一个2.22米×1.72米×2.2米六面的立方体,卫星两侧各装有一个大型展开式太阳电池翼,当两侧太阳翼完全展开后,最大跨度可以达到18米。起飞重量为2350公斤,设计寿命为一年。

    “嫦娥一号”选用的科学探测仪器有8套24件,包括CCD立体相机、激光高度计、伽马/X射线谱仪、微波探测仪、太阳高能粒子探测器和低能离子探测器等,这些设备在中国都属首次使用,有的是世界首创。同时,这次探月任务的很多科学目标都是世界首次,如测绘月球三维立体影像、探测14种有用元素含量和分布、土壤厚度等。

    在距离月球200公里的圆形轨道上,“嫦娥一号”的探测视野能全面覆盖月球,并获取较高分辨率的图像。目前国外立体的月球地图只有两三幅,且做得不完整。如果在一年内圆满实现所有预定科学目标,“嫦娥一号”可能以撞月谢幕。而撞月时,“嫦娥一号”也将近距离拍摄月球的高分辨率照片供地面分析。

    4、印度“月球初航1号” (Chandrayaan-1),(预计发射时间) 2008年4月,特色标签:省钱——计划耗资最少。

    月球初航1号”重590公斤,并携带“冲击者”登月舱。除此之外,“月球初航1号”将携带NASA的两个科学装置:一个是微型合成孔径雷达,负责探测月球极地的冰质沉积;另一个是月球矿物测绘仪,负责评估月球上的矿物资源。

    作为印度第一个小型无人绕月探测器,“月球初航1号”将在两年的绕月飞行中制作高清晰的月球地图,并对月球两极是否存在水进行初步探索。完成任务后,它将撞击月球,以便激起月球土壤,获取矿物质和水的科学数据。根据印度的预算,“月球初航1号”探月计划耗资仅为8860万美元,是各国探月计划中预算最少的。

    5、英国无人驾驶探测器,(预计发射时间)2010年,特色标签:凶狠——“射钉”入月球2米。

    在世界航天强国纷纷推出雄心勃勃的探月计划的同时,保守的英国也坐不住了。英国国家航天中心希望在2010年前向月球发射两个无人驾驶探测器。第一个探测器的名字叫“月球耙子”。 它将以软着陆的方式降落到月球表面,对月球的尘土和岩石进行分析,寻找水和有机物存在的痕迹。第二个探测器叫“月球莱特”。该探测器在接近月球后将沿月球轨道飞行,然后向月球发射出4枚“射钉”,深深地射入月球表面。“射钉”的任务是通过对月球地震信息和温度信息的收集,分析月球的表面构造。

    俄罗斯“渗透者”月球探测器俄罗斯“渗透者”月球探测器

    6、俄罗斯“渗透者”月球探测器,(预计发射时间)2012年前后,特色标签:庞大——一次发射13个探测器。

    俄罗斯联邦航天署计划在2012年进行苏联解体后的首次探月发射,将名为“渗透者”的探测器送上月球,以获得关于月球地质的第一手资料。

    在该计划中,俄罗斯采用了一种无人飞船,由母船及其携带的三种型号的13个“渗透者”探测器组成,其中包括10个高速探测器,2个低速探测器和1个极地站探测器。它们将飞抵月球的不同区域,构成一个探测网络。高速探测器和低速探测器上携带有地震监测仪,它们采集到的数据对于了解月球的起源有着重要的意义。而极地站上装有质量光谱仪和中子光谱仪,用于寻找水的痕迹。母船将始终驻留在月球的极轨道上,探测器发出的信号将传送回地球。

    7、德国月球轨道探测器,(预计发射时间)2013年,特色标签:轻巧——主卫星重500公斤。

    航空技术曾领先全球的德国也将从月球起步重拾太空强国梦。德国宇航中心探月项目负责人今年3月表示,德国计划“绕开”欧洲航天局,独自在2013年前后发射一个携带高分辨率摄像头月球轨道探测器。它将环绕月球运行4年,为制作世界上第一张详细的月球地图收集资料。

    这个月球轨道探测器主卫星重500公斤,次卫星只有150公斤重。主卫星携带一个微波雷达,可“窥探”月球表面下几百米的深度,这就可以协助科学家搞清楚月球上的岩石和微粒分布。完成这一项目后,德国还计划在2020年前发射能够对月球土壤取样的无人探测器。

    化学火箭是靠化学燃料工作的,即火箭发动机把推进剂的化学能转变为热能,经过喷管的气动热力加速,再转化为喷射燃气流的动能产生推力。而电火箭利用新型太阳能离子发动机将太阳能转化为电能,再通过电能电离惰性气体原子,产生高速的离子流作为推动力。它利用燃料的效率比普通化学燃料发动机高10倍。

    美国GRAIL探测器将撞击月球搜寻水冰美国GRAIL探测器将撞击月球搜寻水冰

    前者的优点是可按需要及时提供推力和加速度,探测器飞行时间较短。缺点是推进剂耗量大,要带足够的量,效率不如太阳能电火箭高。如果追求速度和缩短时间,宜用化学火箭,如果想减小重量和长时间飞行,宜用太阳能电火箭。在欧洲“智能1号”之前的月球探测器和中国即将发射的“嫦娥一号”都依靠化学火箭推进。“智能1号”是世界上第一个利用太阳能“电火箭”作为主要推进系统进行远距离飞行的航天器。

    相关文献

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    扩展阅读
    1《叩开太空之门——航天科技知识问答》
    2国际在线,月球探测器跟一般航天器相比有什么特点?2007年10月17日

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