图解深空探测史

文/叶楠

月球探测（下）

从20世纪50年代末到70年代中期，苏美两国掀起了第一轮探月高潮。在此期间，苏联的“月球16号”首次在月球表面采集样品并送回地球；美国的阿波罗计划将12名航天员成功送上了月球，这是人类第一次踏上另一个星球。随着美国逐渐在探月竞赛中取得领先，美国民众对不断重复的人类登月也不再感到兴奋，美国宇航局的重心也转移到了航天飞机与空间站的建设，第一次探月高潮在70年代末逐渐偃旗息鼓。

时间来到20世纪90年代，世界格局也发生了重大的变化，人类新一轮的探月活动由此展开。美国继续处于领先地位，苏联却已经解体，欧空局开始崛起，经济腾飞的日本科技实力也有了长足的进步，作为发展中国家领头羊的中国与印度也迈出了探索月球的第一步。

飞天号

1976年8月19日，苏联的“月球24号”带着170克月壤从危海升空返回地球。从那以后直到1990年的14年里都没有人类探测器再次拜访月球。

这次率先行动的是日本。1990年1月24日，“飞天号”从鹿儿岛航天中心发射升空。与之前所有月球探测器不一样的是，“飞天号”是一个环绕地球飞行的探测器，远地点达到47.6万公里，大于月地距离。3月18日，当“飞天号”飞掠月球时，释放了携带的“羽衣号”小卫星，使其进入绕月轨道。日本也由此成为继苏联、美国之后，世界第三个探测月球的国家。图中右侧是“飞天号”，左侧是“羽衣号”。

克莱门汀号

“克莱门汀号”（左图）是由美国原星球大战计划和美国宇航局共同执行的月球探测任务。该任务的主要目的是测试长时间暴露在太空环境下科学仪器的感应器和卫星组件的状态。1994年1月25日，“克莱门汀号”在范登堡空军基地发射升空，先是绕地公转两周，一个月后进入绕月轨道。绕月轨道为椭圆形，近月点约400公里、远月点约8300公里。“克莱门汀号”也很好地利用了它的轨道：在近月点附近进行月球表面测绘，在远月点附近进行数据传输。右图：“克莱门汀号”利用光学雷达测绘的月面海拔高度图。

月球勘探者号

美国的“月球勘探者号”（左图）于1998年1月7日发射升空，1月11日成功进入月球轨道。它的绕月轨道倾角达到90°，即完全垂直于月球赤道飞行，轨道高度也只有约100公里。它的主要任务是对月球表面的物质组成、南北极区的水冰沉积以及月球的磁场和重力进行探测。科学家可以根据数据绘制月面矿物分布图。1999年7月31日，在工作了570天后，“月球勘探者号”按指令撞击了位于月球南极附近的环形山，这座环形山在2000年被正式命名为舒梅克环形山，以此纪念地质学家、天文学家尤金·舒梅克（1928-1997）。右图：舒梅克环形山及“月球勘探者号”的撞击点（箭头所指处）。

SMART-1

SMART-1是欧空局的第一个月球探测器，于2003年9月27日升空。这也是人类首次利用离子推进器作为动力来源，它携带有50升液态氙作为推进剂，其效率为传统化学火箭的3倍以上。探测器总重367千克，而推进器仅重29千克，功率达到1200瓦。同时它的太阳能集光板也能为推进器提供部分能量来源。SMART-1利用X射线和红外线对月球表面进行了遥感绘图，并以此建立了月面的三维模型。2006年9月3日，SMART-1以撞击月面的形式结束了长达3年的任务。

月亮女神号

自“飞天号”之后，日本在2007年9月14日再次发射一个月球探测器，取名为“月亮女神号”（上图），其在日本神话中的形象类似于中国的嫦娥。探测器重达2914千克，长宽高分别为4.8米×2.1米×2.1米。它还携带有两颗子卫星：名为“翁”的通讯中继星负责保障各探测器与地面的通信工作；而名为“妪”的甚长基线干涉测量星用来探测月球的元素和重力分布，两颗子卫星的重量同为53千克。主探测器在距月球表面大约100公里的轨道上环绕飞行，共搭载了14台测量仪器。之前的“飞天号”只是飞越月球，并未进行绕月飞行，因此“月亮女神号”是日本第一个月球轨道探测器。下图：“月亮女神号”拍摄的月球表面立体地形图。

嫦娥一号

“嫦娥一号”是中国首个绕月飞行探测器，于2007年10月24日在西昌卫星发射中心搭乘长征三号甲火箭升空，11月7日进入月球轨道。“嫦娥一号”总重2350千克，三维为2米×1.72米×2.2米，太阳能帆板展开长度达18米。主要任务是获取月面的立体影像、分析月球表面的元素含量及物质分布特点、探测月壤厚度及月球空间环境。2008年11月，根据“嫦娥一号”拍摄数据制作的中国第一幅全月球影像图正式公布（上图）。2009年3月1日，嫦娥一号绕月飞行482天后按指令撞月。

月船1号

紧随中国之后，印度首个月球探测器“月船1号”（左图）于2008年10月22日从萨迪什·达万航天中心发射升空。“月船1号”携带了11台科学仪器，其中一台名为月球撞击探测器的无人探测器重29千克，在“月船1号”进入绕月轨道后，它以每秒75米的速度从飞船上弹出，向月球表面撞去，在接近月球的过程中探测器将会不断对月球进行拍摄，这些数据有助于印度空间研究组织未来选择月球车的着陆位置。右图：“月船1号”拍摄的月表图像。

“月船1号”的设计寿命为2年，但在飞行了10个月后，印度表示与“月船1号”的通讯全部中断，经努力尝试未果后决定放弃。而时隔8年之后，美国宇航局的微波雷达重新发现了“月船1号”，它依旧在以极地轨道绕月球公转。

月球勘测轨道飞行器

“月球勘测轨道飞行器”（上图）是美国进入21世纪后发射的首个以月球为目标的探测器，于2009年6月18日在卡纳维拉尔角空军基地发射升空。它的主要任务是对月球的资源进行勘测，为人类再次登月提供可能的登陆地点。同时与它一起升空的还有“月球环形山观测和遥感卫星”，10月9日，它实施了对月球的撞击，科学家通过分析撞击产生的尘埃数据表明月球表面是存在水的。“月球勘测轨道飞行器”直到今天还在正常工作，是所有绕月探测器中工作时间最长的一个。下图：“月球勘测轨道飞行器”拍摄的第谷环形山的中央峰。

嫦娥二号

“嫦娥二号”是中国第二个绕月探测器，也是中国探月工程二期的技术先导星。“嫦娥二号”于2010年10月1日发射，以100×15公里的椭圆轨道进行了环月探测，并对“嫦娥三号”落月任务预选着陆区虹湾局部地区进行了高分辨率观测（左图）。完成探月任务后，“嫦娥二号”飞离月球，于2011年8月下旬成功飞抵距地球150万公里的拉格朗日L2点稳定环绕运行，使中国成为继美国、欧空局之后第三个在这一特殊空间上进行科学探测的国家和组织。在L2点开展科学探测235天后，“嫦娥二号”受控飞向行星际空间，于2012年12月13日飞抵距地球约700万公里远的深空，以每秒10.73公里的相对速度，与国际编号4179的图塔蒂斯小行星由远及近擦身而过，最近相对距离仅3.2公里，并抓拍到它的清晰图像（右图），首次实现中国对小行星的交会探测。

嫦娥三号

嫦娥三号月球探测器于2013年12月2日由长征三号乙运载火箭从西昌卫星发射中心升空，执行嫦娥工程中的第二阶段任务——“落”。12月14日，“嫦娥三号”在月球虹湾地区实现软着陆，中国成为世界上第三个实施探测器月球软着陆的国家。随后，玉兔号月球车（右图）从着陆器（左图）上“走”出来，与着陆器一动一静开展科学探测任务。“玉兔号”是中国首辆月球车，重140千克，具备20度爬坡、20厘米越障能力，携带全景相机、红外成像光谱仪、测月雷达、粒子激发X射线谱仪等科学探测仪器，在月面总计工作972天，远远超过它3个月的设计寿命。

嫦娥四号

嫦娥四号月球探测器于2018年12月8日发射升空，2019年1月3日10时26分自主着陆在月球背面南极-艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑内，并通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图，揭开了古老月背的神秘面纱。此次任务实现了人类探测器首次月背软着陆、首次月背与地球的中继通信，开启了人类月球探测新篇章。左图：“嫦娥四号”着陆器拍摄的着陆点南侧月球背面图像；右图：玉兔二号月球车在月球背面留下人类第一道痕迹。

“嫦娥四号”着陆的艾特肯盆地是月球上最大最深的盆地，直径约2500公里，深约12公里。对艾特肯盆地的探索有助于解开月球演变之谜，同时这里有天文学家梦寐以求的干净电磁环境，可以填补射电天文领域在低频观测波段的空白。