月球探测器的环境特点与类型

月球探测器的环境特点

相对一般地球轨道卫星和载人飞船等航天器，月球的特殊位置和环境等条件使月球探测器具有自己的特点：

（1）轨道设计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不能完全采用地球轨道航天器所使用的二体模型。

图5-1　月球的重力分布图。红色为重力加速度最大区域，黄色、绿色、蓝色、紫色区域的重力加速度依次递降

（2）重力场影响月球表面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，重力场增强（图5-1），重力加速度加大，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在地球着陆也不尽相同。

（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月面着陆。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。

（5）月表覆盖着月壤主要由尘埃和岩石碎屑组成、平均厚度5~10米，平均密度1500~2500千克/米3；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两者均为约27天，即月球的一个昼夜也是约27个地球日。这意味着在月面的一个地区，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。昼夜温度变化从约130℃到约-180℃。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。探测器的能源和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38万千米，月球在自转的同时围绕地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，因此地球上的一个地面站在一天内最多只能有约11小时看到月面上的探测器。其次，无线电信号经过38万千米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。

从上面的月球探测器的特点分析可以看出，月球探测器相对地球轨道航天器有更多的技术难点，更高的技术难度。因此，是人类航天高技术发展的新台阶。

月球探测器的类型

纵观人类40多年的月球探测史可以看出，随着人类对月球的认识深度和技术水平的发展，探月基本上采取如下步骤：（1）探测器从月球近旁飞越（从距月球几千千米到几百千米，可摄像时间很短），对月球表面摄像，同时利用仪器测量月球的重力场、磁场和周围辐射环境；（2）发射探测器直接撞击月球表面以测试月表的硬度和承受能力，并在坠落过程中对月近距离摄像；（3）探测器在月表软着陆，测量月表的硬度，并测量月表地形地貌、月震、月壤化学组成等；（4）发射绕月飞行的卫星，在几百千米的高度上，在较长的时间里，对大部分月面进行摄像和环境探测；（5）在月表实现巡视勘察，获取更大区域月面的研究成果；（6）采集月球岩石和土壤样品返回地球，在实验室进行精细研究，为分析月球的组成成分提供更充分的依据。

上述6种探测方式中，硬着陆的方式现在已很少使用，人类在基本研究清楚了月球的表面特性后不必再采取这样的方式。针对其他5种方式，月球探测器可分为绕月探测器、月球软着陆器、巡视探测器、月球采样返回器4大类。本章主要介绍绕月探测器。