近期，中國、美國、俄羅斯、歐空局、韓國、印度等國家和組織相繼發(fā)布了一系列探月規(guī)劃，其中不乏新穎的亮點(diǎn)，比如建設(shè)月球通信導(dǎo)航星座，利用低軌探測器、跳躍探測器等手段尋找水冰資源。新一輪探月活動即將拉開大幕，相比之前大家耳熟能詳?shù)慕?jīng)典探月任務(wù)，新任務(wù)有何不同之處？預(yù)計新任務(wù)又會應(yīng)用哪些新技術(shù)、新思路呢？

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打造月球版衛(wèi)星導(dǎo)航

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在地面導(dǎo)航、通信、資源探測等活動中發(fā)揮著重要作用。擁有完全自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是每一個航天大國追求的目標(biāo)。為了支持在月球表面開展更復(fù)雜的任務(wù)，更好地對月球進(jìn)行全面勘測，建設(shè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國際競爭已經(jīng)延伸到了月球附近。

通信導(dǎo)航衛(wèi)星服務(wù)探月任務(wù)示意圖國家航天局曾公布，我國正在論證構(gòu)建環(huán)月球通信導(dǎo)航衛(wèi)星星座，首次發(fā)射可能在 2024 年左右進(jìn)行。簡單地說，這將是月球版北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，可以為未來月面作業(yè)提供中繼通信、導(dǎo)航等服務(wù)，為接下來更復(fù)雜的探月任務(wù)提供信息支持。歐空局同樣啟動了在繞月軌道上建立一個導(dǎo)航和通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的計劃，而在這方面“走得最快”的還是美國宇航局。2022 年 6 月 28 日，美國“頂石”探測器升空，這也是美國近 10 年來首次成功發(fā)射月球探測器。作為“阿爾忒彌斯計劃”的先行者，這個只有微波爐大小的探測器被宣傳為“世界上第一顆月球?qū)Ш叫l(wèi)星”，這標(biāo)志著美國打造月球版 gps 進(jìn)入了實質(zhì)性部署階段?？赡苡腥烁械狡婀郑涸虑蛏蠠o人居住，也沒有汽車行駛，對導(dǎo)航的應(yīng)用需求極少，為什么一定要打造復(fù)雜的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)呢？實際上，如果只是探測月球正面的話，那么在近地軌道上運(yùn)行的導(dǎo)航衛(wèi)星就能滿足任務(wù)需求了。但探測月球兩極和背面時無法借助傳統(tǒng)的導(dǎo)航衛(wèi)星，人類有必要向月球發(fā)射特殊的“信使”。如今，人類正在邁入月球探索與開發(fā)的新時代，月面活動將越來越多。未來諸多無人探測器和載人航天器會成功登月，在復(fù)雜的月球表面上行動，邁出更多的“個人一小步、人類一大步”。這些都需要更加精準(zhǔn)的導(dǎo)航信息、更加流暢的大容量通信保障，所以建設(shè)完善的月球通信導(dǎo)航星座是必不可少的。

為月球精準(zhǔn)“畫像”

近年來，多國提出了對月球勘測軌道器的新需求。由于在低軌道繞月飛行，它可以提供高精度月球數(shù)字標(biāo)高地圖，還能夠輔助勘測可能的著陸點(diǎn)，評估月球上的水和其他資源（包括可以用來發(fā)電的太陽光照情況），分析未來航天員可能面對的輻射環(huán)境等。美國宇航局在 21 世紀(jì)初出臺“新太空探索計劃”，首個任務(wù)就是 2009 年發(fā)射月球勘測軌道飛行器。它運(yùn)行在50公里高的極月軌道上，傳回了全天候月溫圖、月面大地坐標(biāo)、高分辨率彩色圖片、月面紫外返照率等大量信息資料。未來，美國宇航局還規(guī)劃發(fā)射核動力月球車，爭取從月背采集更多樣品，由航天員送回地球。2022 年 12 月 27 日，韓國首個月球軌道探測器“賞月號”成功進(jìn)入預(yù)定繞月軌道。耐人尋味的是，韓國航空宇宙研究院曾希望將“賞月號”的軌道高度調(diào)整為300公里，以便早日入軌，卻在美國宇航局堅持下，使軌道高度維持在最初的目標(biāo) 100 千米。原來，“賞月號”攜帶了美國宇航局的陰影相機(jī)，通過使用高分辨率攝像頭觀測月面，重點(diǎn)對月球南極永久陰影區(qū)進(jìn)行精確成像，將幫助“阿爾忒彌斯計劃”選定登月點(diǎn)和水冰痕跡，并服務(wù)計劃于 2032 年發(fā)射的韓國月球著陸器。

韓國首個月球軌道探測器“賞月號”

“賞月號”從繞月軌道上拍攝“地出”盡管遭遇了“月船 2 號”的失敗，但印度并未放棄探月雄心。今年初，印度空間組織宣布，印度第三次探月任務(wù)將在今年底或明年初發(fā)射。今年 2 月，印度月船三號著陸器通過了電磁干擾和電磁兼容測試，3 月完成了關(guān)鍵振動和聲學(xué)環(huán)境測試，并增加了更多保障措施。未來，月船三號推進(jìn)艙將主要承擔(dān)中繼通信任務(wù)，配合執(zhí)行環(huán)月遙感任務(wù)的月船二號推進(jìn)艙，共同支持重約 26 千克的月球車在月面工作半個月左右，從而為印度下一步探月任務(wù)提供更詳盡的第一手資料。各國更多探月任務(wù)正在推進(jìn)中，普遍希望獲取豐富的月球信息，繪制更精細(xì)的“月亮女神畫像”。我國今年將全面推進(jìn)探月工程四期。未來，“嫦娥六號”將從月球背面采集更多樣品，爭取實現(xiàn) 2000 克的目標(biāo)。日本的“白兔-r”已在今年 3 月底成功進(jìn)入環(huán)月軌道，預(yù)計 4 月底這款商業(yè)航天著陸器將攜帶阿聯(lián)酋首輛月球車、日本小型機(jī)器人落入月球正面北部阿特拉斯隕石坑，研究月壤、月巖和塵埃運(yùn)動以及月面的等離子體狀況。略顯尷尬的是美國的“月球手電筒”，這顆立方星由“白兔-r”搭載，原計劃進(jìn)入距月面最近約 15 千米的繞月軌道，通過紅外激光器和新型激光反射儀從月球南極永久陰影區(qū)尋找水冰資源。可惜其在測試“綠色推進(jìn)劑”時遭遇故障，迫使“月球手電筒”的任務(wù)從繞月飛行降級為月球飛掠。

飛躍探測月面奧妙多

據(jù)公開資料顯示，我國“嫦娥七號”準(zhǔn)備著陸月球南極，開展飛躍探測，尋找水資源。而未來“嫦娥七號”“嫦娥八號”將組成月球南極科研站基本型，包括月球軌道器、著陸器、月球車、飛躍器及若干科學(xué)探測儀器。此外，國外多家商業(yè)航天公司公布了使用跳躍機(jī)器人勘測月球表面的計劃。

未來月球飛躍探測器有望發(fā)揮更大作用那么飛躍探測、跳躍探測是什么意思？這類航天器執(zhí)行任務(wù)有什么獨(dú)特優(yōu)勢呢？目前，登上外星球的探測器可以分為著陸器和巡視器兩大類。著陸器將巡視器送到外星球表面后，就已經(jīng)初步完成任務(wù)。巡視器可以離開著陸點(diǎn)探測，但受限制較大。傳統(tǒng)的月球車除了在月夜休息外，還需要頻繁避開月面巖石、坑洞、坡道等障礙，行駛過程如履薄冰，不可能“飆車”。如果月球探測器可以“跳起來”，在月面上反復(fù)著陸和行進(jìn)，無疑能夠顯著提高探測效率和綜合效益。此外，月球表面一些區(qū)域情況不明，無法派遣傳統(tǒng)的月球車進(jìn)行探測，而月球飛躍探測器將在觀測復(fù)雜地形時具備獨(dú)特優(yōu)勢。更進(jìn)一步，月球飛躍探測器可以直接“飛”進(jìn)永久陰影區(qū)，只需事先利用軌道器搭載的微波成像雷達(dá)，對永久陰影區(qū)進(jìn)行高分辨率成像，以便詳細(xì)規(guī)劃空中與著陸路徑。預(yù)計它完成一次永久陰影區(qū)探測任務(wù)后，就可以回到光照區(qū)進(jìn)行充電，以備執(zhí)行下一次任務(wù)。當(dāng)然，為了應(yīng)對復(fù)雜的月面情況，月球飛躍探測器不能完全依賴太陽能，可以考慮提前儲備一些燃料，且在關(guān)鍵時刻使用。未來，月球飛躍探測器如果有望利用核能技術(shù)，工作持續(xù)性和效率必將大幅提升。即便如此，想要讓月球飛躍探測器和跳躍機(jī)器人在月球表面正常運(yùn)行，仍是不容易的事。畢竟月球沒有稠密的大氣層，探測器頻繁“起飛”難度不小，著陸時緩沖不足，風(fēng)險更大。為此，科研人員還需要付出更艱苦的努力。隨著航天技術(shù)進(jìn)步，相信在不遠(yuǎn)的將來，我們就能看到探測器以飛躍或跳躍的姿態(tài)為月球表面“增添動感”，揭開更多月球奧秘，進(jìn)而為月球資源探測開發(fā)、月球基地建設(shè)以及人類長期駐留月球打下堅實的基礎(chǔ)。放眼未來，探月活動必將在前進(jìn)或挫折中不斷呈現(xiàn)新亮點(diǎn)，吸引大眾關(guān)注。因為它不僅擴(kuò)展了人類的觀察視野和活動空間，還促進(jìn)了科技發(fā)展和成果應(yīng)用推廣，在很大程度上引領(lǐng)了前沿科技潮流，更滿足了人類進(jìn)步的核心動力——好奇心。

資料：科普中國

編輯：楊麗

上觀號作者：上海金山