[科普中国]-小型先进技术研究任务-1探测器

卫星概况

欧空局2003年9月27日在法属圭亚那库鲁航天发射场使用阿里安5运载火箭发射了“小型先进技术研究任务”(SMART)1月球探测器。这是人类进入21世纪以来进行的第一次探月活动。

月球是离我们最近的星球，也是地球唯一的天然卫星，曾引发人类的无尽遐想。航天技术的出现，为人类认识和开发月球提供了有效的手段。从20世纪50年代末开始，美国和前苏联展开了以探月为中心的空间竞赛。通过这些探月活动，人类对月球的表面形态、矿物分布和月球附近的空间环境有了基本的了解。但是，这些探月活动主要是在20世纪60-70年代之间进行的。限于当时的技术水平，人们对月球的了解仍有很大的局限性。2

1994年和1998年，美国又分别向月球发射了两颗小型探测器“克莱门蒂娜”和“勘月者”，取得了丰硕成果。此后，一些国家和机构纷纷提出要发射自己的月球探测器，探月再度成为各个国家和机构追逐的目标。近年来提出探月的国家和机构包括欧空局、日本、中国和印度。美国航宇局也声称不久将重返月球，甚至还有一家美国公司计划在近期发射月球探测器。而在这新一轮的探月竞赛中，首先出发的便是欧空局的SMART-1。

SMART计划是欧空局制定的高技术试验计划之一，主要目的是验证未来深空探测需要采用的一些新技术，如太阳能电火箭、深空无线电通信、激光通信和新型探测仪器等。2

SMART-1是该计划中的第一项任务，也是欧空局首次探测月球。

SMART-1的发射过程分4个阶段:首先由阿里安5火箭送入地球同步转移轨道(同时发射的还有2颗大型通信卫星)，然后用大约16个月的时间使用太阳能电火箭由地球同步转移轨道到达月球附近，随后进入椭圆形月球轨道(近月点300公里，远月点10000公里)，最后对月球进行至少6个月的探测。2

主要性能参数SMART-1的主结构为1m3的立方体，发射质量366.5kg，干质量287kg，中央设备板上装有大部分探测器单元。主体内装有氙燃料贮箱，容量49L，发射时携带氙82.5kg：双太阳翼，太阳翼翼展14m，太阳翼寿命初期功率1850W，蓄电池能满足最长2.1h星食期的探测器功率需求。探测器的主推进由霍尔效应推力器完成，该电推进系统装有软件控制的机构，用于改变推力矢量。姿态控制通过肼推力器和反作用轮完成，姿态信息通过太阳敏感器、陀螺仪和星跟踪器获得指令与数据处理采用冷备份，装有自主故障检测、隔离和恢复(FDIR)软件处理单个故障。探测器每4d进行1次地面指令上传.探测器上的软件高度自主，使探测器能在无地面联络时持续进行10d的操作。探测器可在安全模式下生存2个月以上。1

有效载荷SMART-1携带的有效载荷见下表。

|| || SMART-1携带的主要科学仪器及任务

探测器特点SMART- 1是由瑞士空间公司制造的欧洲首枚月球探测器.探测器全部由成本低、小型化的尖端部件构成,重量仅为367kg,体积1m3,两个太阳能电池板伸长后长约14m,造价约合1.4亿美元.

动力特点SMART- 1是首枚采用太阳能离子发动机作为主要推进系统的欧洲探测器.该发动机利用探测器自身的太阳能帆板所产生的电流喷射持续的带电粒子束———高速离子化重气体原子来产生动力.运用离子推进技术的发动机,从离开地球到最终到达观测轨道,一共只消耗了75kg的惰性气体燃料———氙,燃料利用的效率比传统化学燃料发动机高10倍.这样既可以节约能源,又可在减少卫星携带燃料的同时相应增加所携科研设备的质量.虽然产生的动力不够强劲,但它可以连续多年给飞行器提供动力,满足其在太空深处进行长期探测的需求.同时,推力小可以更精确地控制探测器飞行状态,使其能更准确精细地观测月球.3

轨道特点月球探测器SMART-1,2003年9月27日搭乘阿丽亚娜5G型火箭开始了其星际之旅,2005年3月4日,利用该公司生产的特殊的、新型的电子推动系统作为动力装置,先进入地球同步轨道,随后点燃离子推进器,逐步扩大其环绕地球飞行的椭圆形轨道直至其被月球引力所俘获,在经过17个月漫长的星际旅程之后,终于到达了最终的绕月轨道.于年底到达月球上空的近月轨道.之后经过精确调整和运作后,SMART- 1终于于日前进入了距离月球表面470 km到2900km的最终轨道,在这个轨道上,探测器能够更清楚地观测月球.3

探测器任务(1 )"SMART-1”号月球探测器主要任务是测试新型探测设备和“离子推进”引擎的性能，分析检测月球表面物质的化学成分，以探索月球的起源.希望能找到哪里有水和其他化合物的痕迹.3

(2 )SMART-1月球探测器抵达最终轨道后将开始对月球进行详尽的探测，科学家可通过SMART- 1探测器上的X射线光谱仪等设备所探测和提供的数据、照片绘制月球表面地形地貌图和矿物分布图，研究其表面岩石的化学成分，探求月球的构成，探寻月球的起源.其中最为引人关注的是对月球是否存在水资源的探测.

(3 )SMART-1将运用红外光谱仪对月球表面最有可能存在水的两极冻土区域进行重点探测，希望能解答人类一直关注的这一热点问题.3

(4)是欧洲空间局为了测试未来卫星新技术的“尖端技术研究小型任务”系列计划中的第1项研究任务.

(5)它配备了高清晰度微型摄影机、红外线及X射线分光器(D-CIXS)等最新探测设备，X射线分光器则让科学家首次取得月表钙、镁等化学元素的含量资料.

(6)发现月球日不落区.1号环绕月球极地轨道飞行了2000多圈，绘制了月表整体外貌图，其中包括过去人们不甚了解的月球背面和极地概貌.3

(7)通过一系列实验，为人类打开新一轮探月热潮.

撞击月球(1)时间

月球探测器“SMART- 1”号将结束其使命,并计划于9月3日撞击月球(具体于13时42分22秒撞击月球表面).

(2)现象

探测器最终将以大约1°的极小角度撞向月球,并在月球表面滑行一小段,以扬起尘埃,就宛如“蝴蝶的翅膀”一样.天文学家将利用多个地面天文台研究碰撞,如果撞击产生的碎片飞起高度达20 km,运气好的天文爱好者甚至可以用双眼看到月球表面升起的一片尘云.遗憾的是,由于撞击时间发生在我国的白天时间,因此我们不能直接看到.探测器将会在月球表面撞出一个直径3～ 10 m的坑.数天后,天文学家预想,喷出物覆盖月球表面的面积约达1km2.3

(3)意义

①将帮助科学家进一步了解月球的演化历史.对各种观测结果的分析将有助于科学家进一步了解月球演化史,并确定月球最初形成是否是由一个相当于火星大小的星球撞击地球,碎片喷入太空所致.

② SMART是英文Small Mission for Advanced Researchin Techology的缩写,可译为“小型先进技术研究任务”.“智能1号”还测试了用于航天器上的未来外层空间通讯技术,使用这一技术可以达到航天器的自动导航目的,以及一些微型化科学仪器,通过可见光、红外线和X射线来检测星球的表面情况,这些设备都在此次的探月任务中得到了应用.3

③月球探测本身来说,“智能1号”探测器主要对过去月球上所受到的撞击进行了研究.此前计划对月球近轨探测的时间为4个月,而实际却进行了16个月,“智能1号”上的照相设备对月球上大大小小的陨坑进行了大量的记录,并形成了一个巨大的陨坑图像库.此前对月球的两极的精确资料不是十分完整,通过此次的探测,进行了大量的补充.探测器上的红外设备通过对陨坑的不同部分的测量以及光谱对比,对月球表面的土壤成分改变情况有了更好的了解,在撞击过程中还将对月表土壤的组成进一步分析.3

④在撞月之前,探测器会提供月球表面风光的新图片.在探测器接近月球的过程中,其携带的摄像机将能够以“斜视”的角度拍摄某些月球表面区域的照片.因此“智能1号”将使人类获得月球表面该区域的三维图像.此外,探测器携带的红外线及X射线分光计等设备也将有机会以前所未有的近距离视野对月球表面进行观测,获得宝贵数据.3

⑤探测器还会溅起月球表面的岩石尘埃,形成大约5km宽的尘埃带.尘埃带将会持续5～ 10 min.届时地球上的科学家将能借助高精度望远镜等观测设备对此进行观测.通过对“蝴蝶的翅膀”的形态和运动进行光谱分析,科学家有望检测到一些原先在月球表面之下的物质.3