[科普中国]-月球勘测轨道器探测器

发展背景

21世纪，月球探测的新一轮热潮在世界主要航天国家再次兴起，目标以探测月球资源，试验探测技术，为月球能源与资源的开发作准备为主。2004年1月，美国总统布什宣布了“太空探索新构想”。2005年9月19日，美国航空航天局(NASA)局长迈克尔·格里芬在华盛顿公布了1040亿美元预算的重返月球计划，预计在2020年之前使用新型载人飞船将人类再度送上月球。LRO任务是上述计划的一部分，其重点是进行应用科学/工程评估，主要目标包括：选取未来机器人和人类探测月球的着陆点；确认潜在的月球资源。1

探测器概况美国计划在十年内重返月球，向月球发射机器人月球登录器，并再次实现载人登月。为了给这一宏伟计划做准备，NASA在2009年发射“月球勘测轨道器”（LRO）探测器。

LRO任务的目的有三个：勘测可能的着陆点；评估月球上的水和其他资源，包括可以用来发电的太阳光照情况；描述将来宇航员可能面对的辐射环境。2

在进入最终的环月球勘测轨道后，LRO将在30到50米高的极轨道上执行为期一年的勘测任务。之后可能进入低维持轨道执行长达五年的延长任务，继续勘测工作或作为月球通讯中继卫星使用。

LRO是一个三轴稳定平台，拥有存储和实时发送数据的能力。据估计，LRO的数据发送速度约为100兆比特每秒，每天可以向地球传回900吉比特的观测数据。2

主要任务2009年6月23日，探测器进入月球轨道；9月15日，探测器进入距离月球表面50km的轨道，进行高分辨率月面测绘；探测器在该轨道上进行了1年多的观测后，于2010年10月进入较高轨道执行扩展科学任务，预计扩展任务将持续5年。3

探测器还携带了次要有效载荷——“月球坑观测与感知卫星”(lunar Crater Observation and Sensing Satellite，LCROSS)。LCROSS由“守望航天器”和“半人马座”上面级2个部分组成。“半人马座”上面级实际上是一个撞击器，其任务是撞击月球南极。除了在”半人马座”上面级撞击月球时对撞击过程进行详细观测外，“守望航天器”的任务还包括充当另一个撞击器，对月球进行第2次撞击，在发射1h后，LCROSS就与探测器分开，沿各自的预定轨道飞往月球。2009年10月9日，LCROSS到达月球南极上空，“半人马座”上面级与“守望航天器”分离。数小时后，“半人马座”上面级以2.5km/s的速度、与月面成75°角撞击月球南极的一个陨坑，撞击产生的烟尘不断向外扩散。这时，“守望航天器”飞过烟尘，其携带的仪器对烟尘进行测量分析，搜寻水的信息。在“半人马座”上面级撞击月球15min后，“守望航天器”也撞击月球，并在撞毁之前将收集的数据传回地球。3

主要性能参数探测器的发射质量为1846kg，干质量为949kg。主平台为长方体结构，尺寸为3.8m×2.6m×2.7m。探测器采用模块化结构，主要包括推进系统模块、电子系统模块和有效载荷模块，主推进采用双组元推进系统，单元肼推力器用于姿态控制。采用三轴稳定，姿控系统包括2个星敏感器、1个惯性测量单元、4个反作用动量轮和单元肼推力器。电源系统采用功率1850W太阳翼(面积10.7m2)和80A·h锂离子蓄电池通信采用S和Ka频段，其中S频段低速上/下行数据率为2.186Mbit/s，Ka频段高速下行数据率为100～300Mbit/s有效载荷包括宇宙射线望远镜、月球探测中子探测仪、占卜者月球辐射计、轨道器激光光度计、莱曼-阿尔法测绘仪、轨道器相机、小型S和X频段合成孔径雷达。3

LCROSS的“半人马座”上面级质量2000kg，“守望航天器”质量534kg，肼燃料300kg推进系统包括2组8个单元肼推力器。电源系统采用功率420W的体装式太阳电池阵和40A·h锂离子蓄电池组。通信采用S频段系统，包括2副全向天线和2副喇叭天线。有效载荷包括2台可见光相机、3台红外相机、3台光谱仪和1台光度计。3

有效载荷LRO上携带了六种主要的仪器设备。

月球轨道器激光测高仪（LOLA） 该仪器由位于马里兰州戈达德空间飞行中心研制，可以提供月球的高精度数字的标高地图，这些地图可以用于机器人月球登录器在2010年至2011年在月球着陆时着陆点的定位。

LOLA可以将单束激光脉冲分成五束，然后通过测量被月球表面发射的不同波束间的时间差以确定距离。LOLA还可以通过激光波束对月球表面进行覆盖以测量月球表面的起伏程度，通过发射能量的强度测量月球表面发射率，以及通过激光波束的不同返回时间测量月球表面的斜度。2

获得了月球表面的数字标高地图后，就可以确定月球表面上永久阴影区和永久光照区的分布。

月球勘测轨道器照相机（LROC） 该仪器于LOLA配合使用，由一部窄角照相机和一部广角照相机组成。窄角照相机可以获得分辨率为50厘米的全色图像，在这些图像上足以看到“阿波罗”飞船的着陆点和停在月球表面上的飞船。当LRO在环月球轨道上飞行时，窄角照相机在每圈轨道中只会使用5至10次。而广角照相机可以提供分辨率100米的七种波长的月球全景图像，用来描述月球表面的矿物成分。2

LRO的轨道可以使其每天在50千米的高度上穿越月球两极上空10次，以获得科学家和宇航员最为感兴趣的地区的图像。高分辨率的数字地图可以指引机器人登录器和之后的载人登录器前往最有希望同时存在冰和太阳能的地区。例如，月球两极地区的运动图像，以帮助了解某一特定季节的光照模式。

月球勘测中子探测器（LEND） 该仪器与探测月球表面成分的多光谱广角照相机配合使用，用来测量月球表面物质在宇宙射线照射下释放出的中子。氢可以吸收中子，所以可以通过测量“中子反射率”以确定月球表面的某些成分是否存在某种状态的氢。2

月球两极地区富含氢物质——可能是在月球的早期历史中由于彗星冲撞留下的冰。LEND的分辨率为10千米，可以查明月球表面永久阴影区域中的最有可能性的位置上是否存在水。

多通道太阳发射率和红外滤波辐射仪（DIVINER） 该仪器与LEND配合使用，用来测量月球表面的温度。它可以帮助定位被阴影区覆盖的寒冷低陷地区，这些地区可能存在冰。通常温度低于50K的地区最可能存在冰。

**莱曼-阿尔法项目仪器（LAMP）**该仪器也被用来寻找冰，实际上这是一个与安装在于2004年发射的欧空局“罗塞塔”彗星探测器上的同类设备相同的仪器。通过利用来自恒星的紫外光，LAMP可以寻找月球两极地区深坑中黑暗表面之上的冰。2

辐射效应宇宙射线望远镜（CRaTER） 该仪器是LRO上最后一个主要仪器，它可以测量未来登月的宇航员将要面对的辐射环境，并描述宇航员出于安全考虑而需要的辐射防护。