月亮女神探月计划的有效载荷与科学探测综述

郑永春 邹永廖 付晓辉,2

(1 中国科学院国家天文台,北京 100012)

(2 中国科学院研究生院,北京 100049)

1 引言

月亮女神探测器于2007年9月14日利用H-IIA火箭成功发射,2009年6月11日受控撞击月球表面。该计划包括1颗主探测器和2颗子探测器,共配置了15台(套)有效载荷,开展对月球的综合性、全球性的普查探测,任务基本情况参见文献[1]。该计划围绕月球形貌、表面物质组成、磁场、重力场等关键科学问题,凝练、提出科学目标并配置有效载荷,有效载荷研制在方案设计、元器件选型等方面均有所创新,有效载荷的功耗、质量、探测精度等技术指标较为先进。文章对有效载荷的基本原理、主要技术指标等进行了综述,分析了科学探测任务的执行情况,提出对我国月球与深空探测科学目标和载荷配置方面的一些建议。

2 科学目标与载荷配置

月亮女神探月计划的主要科学目标是[2]:

(1)探索月球和地球的起源,研究月球的形成和演化过程。与地球相比,月球上具备稳定的地质条件,31亿年以来没有经历过剧烈的地质活动。因此,通过对月球的探测和研究,不仅有助于理解地球和月球的起源,还有助于揭开太阳系早期的秘密。

(2)观测月球的空间环境。地球上有大气层,而月球上没有大气,因此太阳辐射直接照射到月球表面。探测器绕月飞行期间,将探测太阳对月球表面的影响,探测结果可为未来建立月球基地提供基础数据。

(3)利用月球观测外太空。月球所在的外太空比地球更有利于进行宇宙探测,那里没有人为的无线电波等干扰,因此从某种意义而言,无论是对地球的观测还是对广袤宇宙的探测,月球的观测条件均比在地球上好。

为实现预定科学目标,探测器共搭载15台(套)有效载荷,完成的科学探测任务见表1[2]。

表1 科学目标与载荷配置Table1 Science goals and instruments of SELENE mission

3 有效载荷的探测原理、科学任务与主要技术指标

3.1 光学载荷系统

包括3台高性能的光学载荷(见图1,其主要技术指标见表2):地形测绘相机(TC)[3]、多波段成像仪(M I)、连续光谱测量仪(SP)。光学载荷系统首次获取了全月球立体影像和地形数据;利用已有探月成果和新获取的多波段影像数据的融合分析,进行高空间分辨率的精确地质单元划分,对具有中央峰构造的撞击坑,可以获得撞击坑中的岩石和矿物类型的分布信息,研究月球内部物质组成;通过对月球表面连续光谱的分析,识别出月表的矿物组成。

图1 地形测绘相机、多波段成像仪和连续光谱测量仪结构示意图Fig.1 Flight model of the three optical instruments:terrain camera(TC),multiband imager(MI),spect ral profiler(SP),aboard KAGUYA(JAXA)

表2 光学载荷系统主要技术指标[4]Table2 Some performances of three optical instruments aboard KAGUYA

地形测绘相机和多波段成像仪都以推扫成像方式连续观测月球表面。对于立体成像观测,地形测绘相机有2个一维探测镜头,分别对前视和后视成像(见图2)。多波段成像仪对星下点进行一维成像观测,通过滤光片获取9 波段的月表影像(见图3)[5]。连续光谱测量仪是安装于主探测器下方的分光光度计,获得月球表面的连续光谱数据(见图4)。

3.2 X射线谱仪

X 射线谱仪(XRS)主要用于探测月表元素受太阳X 射线或宇宙射线激发产生的X 射线荧光。通过测量太阳光照射下月球表面激发的X 射线,同时监测入射的太阳X 射线,就可以确定月球表面元素的含量和分布,为月球科学研究、资源开发与利用提供基础数据与依据。其主要科学目标是:获取高分辨率的全月表主量元素组成(M g、Al、Si、Ca、Ti、Fe等);识别月球典型地质单元的岩石类型,建立不同地区岩石类型的分布模式;获取月壳的物质成分信息,研究月球的起源和演化。除了月球两极外,XRS可以覆盖90%的月球表面,元素分布图的空间分辨率小于20 km,其主要技术指标见表3[6]。

XRS 包括月球X 射线荧光探测器(XRF-A)、太阳X 射线监视器(SOL-B)、X 射线荧光定标器(SOLC),XRS 结构见图5[7-8],其中:XRF-A安装16 片CCD,以达到高能量分辨率、大面积探测的目的;SOLB 和SOL-C 采用标准样品标定XRS,并同时监测太阳X 射线,达到对月球表面元素的定量分析。

3.3 伽马射线谱仪

在银河宇宙射线的照射下,月球次表层激发产生中子,中子与月球表面元素发生相互作用产生伽马射线,不同目标元素产生的伽马射线具有不同能量特征。月球上的天然放射性同位素在衰变过程中也释放伽马射线。伽马射线谱仪(Gamma-ray S pectrometer,GRS)通过在月球轨道处测量伽马射线能量,可定量确定月球表面的元素类型和含量。

图2 地形测绘相机探测原理示意图Fig.2 Observation of the SELENE terrain camera(TC)(JAXA)

图3 多波段成像仪探测原理示意图Fig.3 Observation of the SELENE multiband imager(MI)(JAXA)

表3 XRS主要技术指标Table3 Specifications of XRS

G RS(见图6)采用斯特林制冷机将高纯锗半导体晶体冷却至-180℃作为主探测器,其能量分辨率比以往月球探测器上的G RS 要高20倍以上(见表4[9-10])。因此G RS可以高精度分辨入射伽马射线的能量,定量分析月球表面K、U、Th、O、M g、Al、Si、Ti、Fe、Ca、H 等10 种以上元素的分布,探测结果也将有助于月球资源的探索,尤其是通过氢元素的探测研究月球上的水。

图5 XRS 结构Fig.5 Schematic view of XRS

图6 GRS 结构示意图Fig.6 Schematic view of GRS (JAXA)

表4 GRS 主要技术指标Table4 Specifications of GRS

3.4 测月雷达

测月雷达(LRS)发射频率为5M Hz 的雷达脉冲穿透月球次表层,当雷达波遇到月球次表层的不连续界面时,将产生次表层的回波信号,通过回波信号的解译,可以获取表层和次表层结构信息,测月雷达测试和射电波测试设备见图7[11-12]。

LRS 探测月球表层和次表层结构的原理示意图见图8[11-12],LRS的主要技术指标见表5[13],科学任务包括:低频雷达可以在数十千米范围内探测月球次表层结构,雷达波的穿透深度可达数千米,垂直深度分辨率优于100m ;探测结果除用于研究月球次表层结构特征与分布规律外,还可以用于研究月球表面的热演化历史;在不受任何地球上人为影响和太阳辐射干扰的情况下,测月雷达还可以观测探测器绕月轨道处的行星射电波和等离子体波。

3.5 激光高度计

激光高度计(LALT)[14-15](见图9)发射激光脉冲至月球表面,并精确测量从月球表面反射信号的时间,根据发射信号和接收反射信号之间的时间延迟(T),可以计算探测器至月球表面星下点的距离(L),通过长期飞行,可以获得探测器轨迹下覆盖全月球的测距数据,LALT 主要技术指标见表6。

图7 测月雷达测试和射电波测试设备Fig.7 SELENE lunar radar sounder component test at radiow ave test facility(JAXA)

图8 LRS 探测月球表层和次表层结构的原理示意图Fig.8 Principle of LRS to detect surface and subsurface structure of the M oon

表5 LRS主要技术指标Table5 Specifications of LRS

图9 LALT 结构示意图Fig.9 Schematic view of LALT(JAXA)

表6 LALT 主要技术指标Table6 Specifications of LALT

如果发射激光脉冲至收到反射信号经历的时间为0.666ms,则对应于探测器至月球表面星下点的距离为100km。

利用LALT 的全月球测距数据可以开展精确的全月球地形高程测绘,获取月球基本参数(月球半径等),精度高于美国1994年克莱门汀号探测器;获取包括月球南北极在内的、覆盖全月球的地形图;通过精确的月球重力场(含月球背面)、结合高精度的地形数据,研究月球的内部结构。

3.6 月球磁强计

月球现在已经没有全球性的偶极磁场,但其在地质演化历史中曾经具有全球性磁场(古磁场)。如今月球上的很多地区存在古磁场导致的剩余磁场异常,这些地区的岩石剩余磁场强度明显高于其它地区。通过对月球磁场的高精度测量,可以获取大范围的月球磁场强度分布,研究现在月球剩余磁场异常和古磁场的形成机制[16]。

月球磁强计(LMAG)的检测限为地球磁场强度的1/100 000,探头通过一根超轻的12m 长的超轻杆伸到主探测器外侧,以避免主探测器对磁场测量的干扰(见图10),LMAG 主要技术指标见表7[17]。

图10 LMAG 的超轻杆伸展试验Fig.10 Extension test of the mast of LMAG(JAXA)

表7 LMAG主要技术指标Table7 Specifications of LMAG

3.7 带电粒子谱仪

带电粒子谱仪(CPS)包括两种有效载荷:阿尔法射线探测器(ARD)和粒子谱仪(PS)(见图11),主要技术指标见表8。其中,ARD 的主要任务是探测月球表面氡(Rn)、钋(Po)等元素衰变发出的阿尔法射线,研究阿尔法射线的时间变化,通过与其他月球探测器上的ARD 探测结果进行比较,研究月壳运动;PS的主要任务是观测月球附近的太阳辐射和银河宇宙射线。目的是获得太阳辐射和银河宇宙线的基本观测数据,为空间宇宙射线预报提供基础数据,从而服务于载人登月任务。

图11 ARD 和PS的照片Fig.11 Photo of the ARD assembly and the PS device(JAXA)

ARD 和PS 采用高能量分辨率的硅半导体晶体探测器,通过多层硅半导体晶体探测器上分别沉积的能量信息识别入射粒子,不仅可以测量入射粒子的能量,而且可以获得入射粒子的成分信息。

表8 CPS 主要技术指标Table8 Specifications of CPS

3.8 等离子体分析仪

太阳风和宇宙射线与月球表面物质相互作用,溅射出二次离子。这些离子构成了极为稀薄的月球大气层的主要成分。通过测量月球表面的溅射离子,可以反演月球表面的物质成分。等离子体分析仪(PACE)和月球磁强计(LM AG)相互配合,可以揭示月球等离子体活动和月球磁异常相关性[18]。

PAC E是顶帽型静电分析仪,入口有角扫描偏转装置,内置环形极板。包括4个探测器,分别为2个电子能谱分析仪(ESA-S1、ESA-S2)、离子质量分析仪(IM A)、离子能量分析仪(IEA)(见图12)。2个电子能谱分析仪用于测量能量小于15keV/q 的低能电子的一维分布函数,而IMA和IEA用于测量能量小于28keV/q 的低能离子的一维分布函数,PAC E 主要技术指标见表9。

图12 PACE 结构示意图Fig.12 Photo and structure of PACE sensors and their cross sections(JAXA)

表9 PACE主要技术指标Table9 Specification of the PACE

3.9 无线电掩星观测

由于探测数据的缺乏,月球上是否有电离层还存在肯定与否定两种截然不同的观点。通过开展无线电掩星观测,观测无线电波在可能的月球电离层中传输时的频率变化,结合等离子体分析仪的探测结果,可望回答月球到底有无电离层这一关键科学问题。

无线电掩星观测的科学目标主要由V 星完成[19]。V 星发出的无线电波穿过月球外缘,由臼田町(Usuda)深空地面站接收,开展无线电掩星观测,进一步揭示月球上空的电子层的形成机制[19]。

3.10 上层大气和等离子体成像仪

利用上层大气和等离子体成像仪(UPI),可以从月球轨道观测地球(见图13),UPI 主要技术指标见表10。该载荷包括观测地球等离子层的极紫外望远镜(T EX)、观测地球极光和大气环流全球分布的可见光望远镜(TVIS)。

TEX可以每隔10min 获得环绕地球的等离子体的空间分布。通过探测氧离子和氦离子的共振散射辐射,推动空间等离子体物理的研究。望远镜的视场分辨率为128×128 像素,相应的空间分辨率为500km。

图13 T EX 和TVIS的视场Fig.13 UPI observes the Earth from an orbit around the Moon(JAXA)

TVIS 采用快速反射式光学系统和高灵敏CCD对地球上的极光和大气环流成像。利用地球上的极光照片,可以定量比较共轭极光的强度和形态。而利用地球上的大气环流影像,可以清晰认识大尺度电离层扰动的全球传播。TVIS的视场等于从月球看地球平面的大小,对应的地球表面的空间分辨率为30km,通过选择滤波器可以对地球进行不同波段的观测。

表10 UPI 主要技术指标Table10 Specifications of UPI

TEX 和TVIS 安装在特殊的两轴常平座上,主动轴和传动轴分别正好抵消卫星和月球的移动,使望远镜可以始终对准地球。只有当主探测器位于月球的阴影中,且可以看到地球时,UPI 才开展对地观测。

3.11 空间四路多普勒测量

通过对绕月探测器轨道扰动的精确测量,可以获得月球的重力场分布,进而研究月球内部高密度物质(质量瘤)的分布。S ELENE 计划利用R 星和主探测器,开展空间四路多普勒测量,可以获得月球背面重力场的探测结果。通过跟踪V 星上的射电源,进行差分V LBI 观测,可以精密测定V 星的轨道,提高月球重力场的反演精度[20]。

利用中继星开展月球背面的多普勒测量尚属首次。在轨运行期间,利用V 星可以独立获得低阶月球重力场,再通过R 星、V 星和主探测器上的异频雷达收发机之间的空间四路多普勒测量,可以把月球重力场系数的精度提高到30 阶。

工程实施上,由臼田町地面站上行的无线电信号通过R 星转发给主探测器,回波同样通过R 星传给地面站,测量回波的多普勒频率(见图14[21])。

3.12 高清电视摄像机

高清电视摄像机(HDTV)是1台采用3 片220万像素CCD 的摄像机,安装在主探测器一侧,主要技术指标见表11。该仪器用于拍摄地球从月球地平线上升起的电视画面,并通过斜视研究复杂撞击坑的结构,对公众科学普及具有重要作用。HDTV拍摄的画面通过压缩、存储后传输到地面(见图15),1min 的月球电视画面传输到地面需要20min。

图14 月亮女神探月计划的多普勒测量:主探测器经R 星的4 路多普勒测量;R 星和V 星的2 路多普勒测量Fig.14 Doppler measurements in SELENE:4-way Doppler for main satellite via Rstar,2-way Doppler for Rstar and Vstar

图15 高清电视摄像机的数据处理和传输过程Fig.15 Data process and transmission of HDTV

表11 HDTV 主要技术指标Table11 Specifications of HDTV

4 科学探测任务的执行情况

截至2008年12月底,月亮女神探月计划的15台(套)科学仪器在轨探测情况见表12。其中:

X 射线谱仪、伽马射线谱仪用于获取月球表面元素含量分布。多波段成像仪和连续光谱测量仪用于探测月球表面矿物组成。这4台仪器主要用于探测月球表面的物质组成。由于在轨运行期间太阳活动水平低,依赖太阳活动激发X 射线荧光的X 射线谱仪没有获得好的探测成果。伽马射线谱仪由于发生故障,导致长达4个多月没能正常工作,探测效果大打折扣。但用于测量月球矿物组成的两台光谱仪工作正常,获得了有价值的探测数据。

地形测绘相机、激光高度计已经获得月球的精细形貌探测数据,特别是对以前探测程度较低的南北极区的探测效果较好。测月雷达可以探测月球次表层结构,有望为月球构造划分提供重要信息,但其电子器件在任务期间发生了故障。

磁强计和等离子体分析仪利用月球的独特空间位置对地球的等离子层成像;开展对地监视的上层大气和等离子体成像仪也都基本工作正常。

通过3颗探测器的相互配合和精密测轨,该计划获得了迄今最为精细的重力场分布数据,为研究月球内部的质量分布不均衡提供基础数据。

表12 有效载荷在轨探测基本情况Table12 Exploration results of instruments onboard Kaguya of SELENE lunar mission

5 分析与讨论

月亮女神探月计划包括主探测器、V 星和R 星3颗探测器,配置15台(套)有效载荷。通过简要阐述有效载荷的基本探测原理、主要技术指标及其科学任务,总结了月亮女神在轨运行期间完成的主要科学探测活动,希望对我国月球与深空探测的科学目标和载荷配置有所启示和借鉴:

(1)月球与深空探测归根到底还是科学探测,应以科学需求为牵引,进行任务整体设计和有效载荷配置,以科学成果产出和技术能力提升作为判断成功与否的标志。SELENE 计划围绕月球关键科学问题提出科学目标并配置有效载荷,有效载荷研制在方案设计、元器件选型等方面多有创新,保证了科学成果产出的数量和质量。

(2)SELENE 计划有效载荷的功耗、质量、探测精度等技术指标较为先进。在我国今后的月球与深空探测任务中,应大力提高有效载荷的研制水平,特别是核心元器件的国产化,应在有效载荷的轻量化、小型化、设计集成化、功能多样化设计等方面加大攻关力度。

(3)由于有效载荷创新性设计和研制质量是决定我国月球与深空探测科学成果产出的关键,也是制约我国深空探测长远发展的技术瓶颈之一,为此建议在深空探测工程立项前的预研阶段,前瞻支持一些具有深空探测应用前景的有效载荷开展关键技术攻关,奠定技术基础,这样才能在工程立项实施后的较短时间内高质量地完成研制任务。

(4)无线电掩星观测是国际上绝大多数月球与行星轨道器探测计划都会开展的科学探测活动。轨道器发送的无线电波在穿越月球或行星的大气层和电离层时发生信号改变,根据信号变化可以研究大气层和电离层的相关参数。这类科学探测活动基本不增加星上设备,只需星地配合即可获得科学回报。建议我国探月工程和深空探测应大力支持和鼓励开展这类低成本、低风险的科学探测活动。

(5)利用月球与深空探测计划研制和运行中的各种时机,及时发布重要进展和成果;通过组织国际、国内的科学数据应用研究,吸引全国乃至全球科学家的关注和参与;通过开展内容丰富、形式多样的科普活动,吸引公众特别是青少年的兴趣。这些活动可以显著提高月球和深空探测的科学价值和社会影响,争取政府部门和公众对空间探索活动的支持,在普及科学知识,提高公众科学素养的同时,又能激发全社会的探索和创新激情,为建设创新型国家贡献力量。

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