嫦娥探月工程立項(xiàng)十八年來(lái)通過(guò)嫦娥一號(hào)、嫦娥二號(hào)、嫦娥三號(hào)、嫦娥五號(hào)T1、嫦娥五號(hào)共計(jì)4次任務(wù)圓滿完成了探月一期、二期、三期工程目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了既定的月球繞落回三步走戰(zhàn)略，掌握了包括環(huán)月飛行、月面軟著陸、月面巡視、月壤樣品采集與封裝、月面起飛、月球軌道無(wú)人自動(dòng)交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移、月地轉(zhuǎn)移、高速半彈道再入返回為代表的一系列月球探測(cè)工程能力，為后續(xù)進(jìn)一步深入開展月球探測(cè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

嫦娥五號(hào)環(huán)月軌道自動(dòng)交會(huì)對(duì)接（上升器）

如果用一個(gè)詞來(lái)形容當(dāng)前的嫦娥探月工程，那就是“兵強(qiáng)馬壯”，我們不僅練就了高超的月球探測(cè)本領(lǐng)，更是磨練出了一支支人才隊(duì)伍，他們是屬于未來(lái)的火種。

站在新起點(diǎn)上，月球探測(cè)的下一步該如何走？

嫦娥五號(hào)月地高速再入返回：返回器分離

接下來(lái)我們將實(shí)施嫦娥探月四期工程，主要包括四次任務(wù)：

第一次是已經(jīng)實(shí)施并正在進(jìn)行的“嫦娥四號(hào)”月球背面探測(cè)，此次任務(wù)首先是掌握了復(fù)雜月面登陸技術(shù)，具備了全月面到達(dá)能力，玉兔二號(hào)月球車與著陸器在鵲橋中繼星支持下已經(jīng)在月球背面持續(xù)探測(cè)長(zhǎng)達(dá)近三年時(shí)間，獲得了以月球地質(zhì)年齡更新、月球背面巡視區(qū)形貌和礦物組份研究、月球背面巡視區(qū)月表淺層結(jié)構(gòu)研究、月面中子及輻射劑量、中性原子研究、月基低頻射電天文觀測(cè)與研究為代表的一系列探測(cè)成果；

玉兔二號(hào)在月球背面巡視探測(cè)已近三年

第二次任務(wù)是發(fā)射嫦娥五號(hào)備份探測(cè)器“嫦娥六號(hào)”，目前該探測(cè)器已處于儲(chǔ)存準(zhǔn)備階段，計(jì)劃赴月球背面“南極-艾特肯盆地”執(zhí)行取樣返回任務(wù)；

嫦娥六號(hào)是嫦娥五號(hào)的備份（圖為嫦娥五號(hào)）

第三次與第四次任務(wù)分別是，旨在深度探測(cè)月球南極的“嫦娥七號(hào)”與驗(yàn)證月面建站技術(shù)的“嫦娥八號(hào)”。

探月四期任務(wù)在工程上有一個(gè)顯著的共性特征，那就是充分利用并依托探月一二三期任務(wù)獲得的工程能力。

比如，嫦娥四號(hào)是建立在嫦娥三號(hào)基于機(jī)器視覺理念登月方案的基礎(chǔ)之上，通過(guò)升級(jí)7500N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)以及部署鵲橋中繼星，獲得月背到達(dá)與探測(cè)能力。嫦娥六號(hào)則更是直接繼承嫦娥五號(hào)的系列核心關(guān)鍵技術(shù)。

嫦娥系列著陸器使用的7500N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)

通俗地說(shuō)，探月一期解決了如何繞月的問(wèn)題，探月二期解決了如何登月的問(wèn)題，探月三期解決了如何從月球返回的問(wèn)題，探月四期則是要用好這三大工程能力，進(jìn)而回答如何利用月球資源的問(wèn)題。

在探月四期任務(wù)中，嫦娥七號(hào)是一座新的里程碑，它將登陸月球南極地區(qū)進(jìn)行深度探測(cè)，同時(shí)也是一次對(duì)月球地形地貌、物質(zhì)成分、空間環(huán)境等多個(gè)課題的綜合探測(cè)任務(wù)。

月球南極

與嫦娥四號(hào)、嫦娥六號(hào)一樣，嫦娥七號(hào)也將充分利用嫦娥探月工程積累的工程能力，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行持續(xù)升級(jí)。

比如，依托長(zhǎng)征五號(hào)大推力運(yùn)載火箭出色的高軌運(yùn)力，與嫦娥五號(hào)探測(cè)器規(guī)模相似，嫦娥七號(hào)也將是一款多器組合的8噸級(jí)大規(guī)模無(wú)人探測(cè)器，同時(shí)在既有機(jī)器視覺理念登月方案基礎(chǔ)上，它將升級(jí)為“精準(zhǔn)定點(diǎn)落月”，“飛躍探測(cè)器”的出現(xiàn)將是原始創(chuàng)新能力的一次華麗轉(zhuǎn)身。

長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭將承擔(dān)嫦娥七號(hào)探測(cè)器發(fā)射任務(wù)

“尋找可利用資源”是地外天體探測(cè)任務(wù)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵事項(xiàng)，受月球自轉(zhuǎn)軸與地形影響，月球南北兩極區(qū)域存在著眾多太陽(yáng)光無(wú)法照射的區(qū)域，被稱為“**陰影區(qū)”，根據(jù)以往繞月衛(wèi)星及撞月探測(cè)數(shù)據(jù)間接證明，那些終年無(wú)光照的撞擊坑中富含水冰資源，以及其他揮發(fā)物。

有水就能解決很多問(wèn)題，比如可以轉(zhuǎn)化為航天員生存所需的飲用水，也可以電解制氧，還能利用水制備火箭所需的推進(jìn)劑，對(duì)于月球而言水冰可以稱得上是“戰(zhàn)略資源”。

月球南極沙克爾頓撞擊坑存在**陰影區(qū)

除了水冰資源，月球極區(qū)與地球極區(qū)一樣，也存在極晝極夜現(xiàn)象，比如月球南極點(diǎn)附近區(qū)域全年累計(jì)光照時(shí)間甚至可以長(zhǎng)達(dá)300多天，全年月夜時(shí)長(zhǎng)相較于其他地區(qū)要短得多，這意味著身處此處的探測(cè)器可以連續(xù)作業(yè)，探測(cè)效率更高。

因此世界上多個(gè)有實(shí)力的玩家都在瞄準(zhǔn)月球極區(qū)，尤其是**陰影區(qū)更多的月球南極。它們或躍躍欲試或摩拳擦掌，大洋彼岸NASA發(fā)起的“商業(yè)月球有效載荷服務(wù)計(jì)劃”，目前已知至少有三至四次月球南極登陸任務(wù)。

月球前哨公司計(jì)劃部署月球南極的MAPP月球車

雖然都想去月球南極，但真正要去卻也面臨很多難題。如果按照地球標(biāo)準(zhǔn)劃分，南北緯66.5度以上的區(qū)域都可以稱之為極區(qū)，但對(duì)于月球而言真正存在極晝極夜現(xiàn)象的緯度是南北緯86度以上。若以此為標(biāo)準(zhǔn)，NASA商業(yè)月球有效載荷服務(wù)計(jì)劃打算去月球南極的任務(wù)中，至少有一半的登陸地點(diǎn)都不在月球南極區(qū)域。

比如，NASA艾姆斯研究中心抓總研制的毒蛇號(hào)月球車，其登陸地點(diǎn)在月球正面諾比爾撞擊坑周邊，那里的緯度是南緯85度附近。其登陸點(diǎn)無(wú)法繼續(xù)向南移的主要困難來(lái)自于測(cè)控，由于沒(méi)有中繼星的支持，毒蛇號(hào)需要選擇對(duì)地球直接可見的較低緯度區(qū)域，以便于與地球直接通信。

NASA毒蛇號(hào)月球車駛離坡道測(cè)試

相較于毒蛇號(hào)月球車，嫦娥七號(hào)的月球南極探測(cè)則更顯專業(yè)。

自去年以來(lái)，探月工程先后發(fā)布了《嫦娥七號(hào)和小行星探測(cè)任務(wù)科普試驗(yàn)載荷創(chuàng)意設(shè)計(jì)征集》與《關(guān)于開展探月工程四期嫦娥七號(hào)任務(wù)載荷競(jìng)爭(zhēng)擇優(yōu)的通知》兩份文件，表明嫦娥七號(hào)已經(jīng)有了較為詳細(xì)的方案論證，搭載的有效載荷競(jìng)標(biāo)與研制工作也已經(jīng)開始。按照計(jì)劃，我們最晚將于2025年年底前實(shí)施嫦娥七號(hào)發(fā)射任務(wù)。

言歸正傳，下面就該嫦娥七號(hào)探測(cè)器正式登場(chǎng)了：

嫦娥七號(hào)探測(cè)器實(shí)際上由五臺(tái)航天器組合合體而成，分別是：軌道器、著陸器、極區(qū)中繼星、巡視器、飛躍探測(cè)器組合而成，發(fā)射質(zhì)量高達(dá)8.2噸，整體長(zhǎng)達(dá)8年的設(shè)計(jì)壽命相較于以往更是翻了好幾番，而實(shí)際壽命則是只長(zhǎng)不短。

五器組合的嫦娥七號(hào)探測(cè)器

“軌道器”是嫦娥七號(hào)組合體地月轉(zhuǎn)移飛行的控制中樞，由于預(yù)選著陸區(qū)在月球南極，所以需要瞄準(zhǔn)傾角90度的捕獲軌道進(jìn)行近月制動(dòng)，到達(dá)繞月捕獲軌道遠(yuǎn)月點(diǎn)后“中繼星”率先分離并獨(dú)自變軌至中繼軌道，之后軌道器第二次近月制動(dòng)將組合體變軌至詳查軌道，它將對(duì)月球南極預(yù)選著陸區(qū)進(jìn)行高分辨率成像作業(yè)，以服務(wù)后續(xù)著陸器組合體的登月行動(dòng)。

嫦娥七號(hào)軌道器將繼承嫦娥五號(hào)軌道器的設(shè)計(jì)方案，后者有著顯著的輕量化設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用了大承載復(fù)雜構(gòu)型輕量化結(jié)構(gòu)、多冗余路徑復(fù)合傳力結(jié)構(gòu)、大承載復(fù)合材料一體成型插層變厚度承力球冠技術(shù)等七項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，結(jié)構(gòu)質(zhì)量比達(dá)到9.6%，軌道器使用的表面張力貯箱也實(shí)現(xiàn)了30%的減重，軌道器不僅身輕如燕更能四兩撥千斤，在干重1噸的情況下，其極限承載力卻能夠高達(dá)30噸。

嫦娥五號(hào)軌道器

在嫦娥五號(hào)任務(wù)中，先后完成地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月對(duì)接、月地轉(zhuǎn)移入射、近地變軌等**作后，軌道器仍有200公斤推進(jìn)劑節(jié)余，在此基礎(chǔ)上又拓展了奔赴日地拉格朗日L1點(diǎn)的探測(cè)任務(wù)，當(dāng)前嫦娥五號(hào)軌道器又回到地月空間執(zhí)行拓展任務(wù)。

嫦娥五號(hào)軌道器在日地拉格朗日L1點(diǎn)拍攝的太陽(yáng)翼

如此精妙高效的輕量化設(shè)計(jì)在嫦娥七號(hào)任務(wù)中若不加以充分利用，那簡(jiǎn)直就是暴殄天物。因此嫦娥七號(hào)軌道器將不再是單純的“擺渡車”，而將搖身一變成為一顆“高價(jià)值繞月遙感探測(cè)衛(wèi)星”。

當(dāng)前活躍在環(huán)月軌道上的遙感衛(wèi)星有兩顆，一顆是NASA部署的LRO月球勘測(cè)軌道器，另一顆是月船-2號(hào)軌道器，它們都配置有高分辨率相機(jī)。

LRO配置的LROC窄視場(chǎng)相機(jī)100公里高度月面成像分辨率是0.5米，同等條件下月船-2號(hào)軌道器高分相機(jī)分辨率可達(dá)0.32米。

LRO月球勘測(cè)軌道器

月船二號(hào)軌道器

服務(wù)地外天體遙感探測(cè)任務(wù)的光學(xué)高分辨率相機(jī)與服務(wù)地球的遙感高分相機(jī)相比，既有相同之處，也有工程總體約束的不同。

通常情況下地外天體遙感衛(wèi)星需要攜帶大量推進(jìn)劑以便進(jìn)行捕獲制動(dòng)，同時(shí)還要攜帶大量的其他類型探測(cè)載荷，因此留給高分相機(jī)的資源就相對(duì)少得多，這就要求高分相機(jī)有更小的尺寸、更輕的重量。

LRO月球勘測(cè)軌道器配置的LROC窄視場(chǎng)高分相機(jī)

我國(guó)地外天體高分相機(jī)杰出代表是服務(wù)火星全球遙感探測(cè)任務(wù)的天問(wèn)一號(hào)軌道器配置的火星高分相機(jī)，它可以在距離火面265公里的高度上獲取優(yōu)于0.5米的高分辨率全色圖像，這意味著如果將該相機(jī)同步移植到嫦娥七號(hào)軌道器上將擁有更高的分辨率，因?yàn)榄h(huán)月遙感成像高度更低（100公里），且沒(méi)有大氣干擾。

天問(wèn)一號(hào)軌道器配置的火星高分相機(jī)

天問(wèn)一號(hào)軌道器拍攝的火星表面全色圖像

《嫦娥七號(hào)競(jìng)爭(zhēng)擇優(yōu)載荷功能指標(biāo)要求》顯示，工程總體給出的月球高分相機(jī)指標(biāo)是，軌道高度100公里月面成像分辨率0.5米（競(jìng)標(biāo)指標(biāo)并不是最終指標(biāo)，而是最低指標(biāo)，實(shí)際中標(biāo)產(chǎn)品分辨率通常會(huì)高于競(jìng)標(biāo)指標(biāo)，參見下文提及的“月球微波成像雷達(dá)”）。

同時(shí)要求成像幅寬大于等于18公里，該指標(biāo)決定了高分相機(jī)的作業(yè)效率（同等成像分辨率與時(shí)間約束條件下，幅寬越大獲取的月面成像產(chǎn)品越多），與之對(duì)比NASA的LROC高分相機(jī)成像幅寬是5公里，月船二號(hào)軌道器OHRC高分相機(jī)幅寬則僅有3公里。

高分相機(jī)成像幅寬直接影響作業(yè)效率

除了光學(xué)遙感，嫦娥七號(hào)軌道器更為出色的是“月球微波成像雷達(dá)”，此臺(tái)載荷已經(jīng)完成競(jìng)標(biāo)工作，這是一款具有國(guó)際領(lǐng)先水平的合成孔徑雷達(dá)成像設(shè)備。

在地球近地軌道，合成孔徑雷達(dá)對(duì)地遙感可以穿云破霧不懼黑夜環(huán)境，在月球它同樣有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。“月球微波成像雷達(dá)”采用高分辨率、雙頻段、多極化設(shè)計(jì)，最高分辨率優(yōu)于0.3米（工程總體給出的競(jìng)標(biāo)指標(biāo)是1米），它可以對(duì)月球南北兩極**陰影區(qū)撞擊坑進(jìn)行高分辨率雷達(dá)成像，好比是穿越黑暗的火眼金睛。

商業(yè)遙感衛(wèi)星拍攝的1米分辨率合成孔徑雷達(dá)圖像

除此之外，嫦娥七號(hào)軌道器還將配置可獲取高分辨率可見-**-熱**光譜圖像的“寬譜段**光譜成像分析儀”，以及獲取月面快中子、超熱中子、熱中子通量、月面伽瑪射線能譜的“月球中子伽瑪譜儀”，還有與巡視器月表磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x聯(lián)合作業(yè)，獲取月球磁場(chǎng)和分布特征等探測(cè)數(shù)據(jù)，為反演月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和月球空間環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)的“環(huán)月磁強(qiáng)計(jì)”。“激光通信試驗(yàn)載荷”也將驗(yàn)證地月空間激光高速通信鏈路，為月面科研站的大流量數(shù)據(jù)傳輸探索新的通信手段，同時(shí)也可以作為遙測(cè)遙控的備份鏈路。

未來(lái)一段時(shí)期，嫦娥七號(hào)軌道器將是人類部署月球功能最為強(qiáng)大且齊全的“環(huán)月遙感衛(wèi)星”，其獲取的各項(xiàng)探測(cè)數(shù)據(jù)將有效支撐后續(xù)一系列無(wú)人與有人月球探測(cè)。

在環(huán)月詳查軌道完成對(duì)月球南極預(yù)選著陸區(qū)成像作業(yè)后，嫦娥七號(hào)組合體將擇機(jī)降軌，隨后著陸器組合體與軌道器分離，開始準(zhǔn)備登陸月球南極預(yù)選著陸區(qū)。

“著陸器組合體”由三個(gè)探測(cè)器組合而成，分別是著陸器、巡視器、飛躍探測(cè)器。

與軌道器相連的“著陸器組合體”

著陸器與巡視器的構(gòu)型將充分借鑒以往任務(wù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并針對(duì)月球南極著陸區(qū)環(huán)境進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，比如針對(duì)太陽(yáng)高度角低的問(wèn)題，兩器太陽(yáng)能電池片的布放將有大的變化。由于中繼衛(wèi)星與飛躍探測(cè)器占用了著陸器頂部空間，巡視器將改為側(cè)掛方式搭載，這就需要針對(duì)長(zhǎng)征五號(hào)火箭整流罩包絡(luò)尺寸約束進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

擺在著陸器組合體面前的第一個(gè)工程難題就是驗(yàn)證月面定點(diǎn)著陸技術(shù)，因?yàn)槠渲憛^(qū)選擇要求既要有長(zhǎng)期連續(xù)光照，又要距離**陰影區(qū)較近，多重約束條件下導(dǎo)致可選擇的著陸區(qū)面積非常狹小，而接下來(lái)月面科研站建設(shè)也離不開定點(diǎn)著陸技術(shù)。

月球南極的**陰影區(qū)與連續(xù)光照區(qū)

回顧嫦娥探月工程以往著陸任務(wù)，嫦娥三號(hào)、嫦娥四號(hào)、嫦娥五號(hào)連續(xù)三次成功軟著陸月面，登月成功率100%，具備了根據(jù)探測(cè)需求任意選擇著陸區(qū)的“全月面到達(dá)能力”，上述著陸器均使用自主創(chuàng)新的基于機(jī)器視覺理念的相對(duì)位姿導(dǎo)航方案，解決了自主登月的安全性問(wèn)題，但是著陸精度并不能滿足定點(diǎn)著陸要求。

實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)著陸無(wú)外乎兩種方案，一種是事先在月面放置**電信標(biāo)，著陸器在著陸過(guò)程中與信標(biāo)通信，實(shí)時(shí)獲取相對(duì)信標(biāo)的三維坐標(biāo)；另一種就是基于圖像匹配的相對(duì)導(dǎo)航，著陸器計(jì)算機(jī)預(yù)先儲(chǔ)存航跡下方月面圖像信息，著陸過(guò)程中光學(xué)相機(jī)成像，并與預(yù)先儲(chǔ)存圖像進(jìn)行匹配預(yù)報(bào)落點(diǎn)偏差，進(jìn)而控制發(fā)動(dòng)機(jī)推力實(shí)現(xiàn)偏差修正。

嫦娥四號(hào)著陸器激光三維成像敏感器作業(yè)效果圖

對(duì)于嫦娥七號(hào)著陸器而言更適合采用“圖像匹配的相對(duì)導(dǎo)航方案”實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)著陸，同時(shí)結(jié)合基于機(jī)器視覺理念的相對(duì)位姿導(dǎo)航方案，滿足既精準(zhǔn)又安全的著陸需求。后續(xù)可引入**電信標(biāo)導(dǎo)航方案進(jìn)行定點(diǎn)著陸，進(jìn)而滿足月面科研站建站需求。

嫦娥二號(hào)獲取的7米分辨率全月圖，以及嫦娥七號(hào)軌道器獲取的預(yù)選著陸區(qū)高分影像，都可以助力實(shí)現(xiàn)“圖像匹配相對(duì)導(dǎo)航+相對(duì)位姿導(dǎo)航”。

圖像匹配相對(duì)導(dǎo)航需要高分辨率月面影像支持

著陸器組合體登陸月球南極過(guò)程中離不開中繼星的支持，嫦娥四號(hào)任務(wù)中在地月拉格朗日L2點(diǎn)Hola軌道部署的鵲橋中繼衛(wèi)星對(duì)月球南極預(yù)選著陸區(qū)可視性并不好，且通信距離遠(yuǎn)影響通信速率，有效測(cè)控時(shí)間極為短暫，所以嫦娥七號(hào)著陸器組合體難以依托鵲橋中繼星進(jìn)行測(cè)控。

鵲橋中繼衛(wèi)星難以保障月球極區(qū)探測(cè)測(cè)控

因此，才有了前文提及的服務(wù)月球南極探測(cè)的新中繼星，該中繼星與嫦娥七號(hào)分離后，自主變軌至周期12小時(shí)的中繼軌道，這是一條環(huán)月大橢圓傾斜凍結(jié)軌道，抵消了攝動(dòng)影響，使得中繼星不需要消耗推進(jìn)劑也可以保持軌道，從而確保了為期8年的設(shè)計(jì)壽命（實(shí)際壽命更長(zhǎng)）。

嫦娥七號(hào)探測(cè)器攜帶的新中繼衛(wèi)星

嫦娥七號(hào)中繼星最多可同時(shí)服務(wù)10個(gè)月面用戶航天器，可有效支撐后續(xù)月面科研站建設(shè)與運(yùn)營(yíng)任務(wù)。

環(huán)月大橢圓傾斜凍結(jié)中繼通信軌道

中繼軌道遠(yuǎn)月點(diǎn)在月球南極上空，三分之二軌道周期均對(duì)著陸器組合體可見，每圈可用測(cè)控時(shí)間約8小時(shí)，如果需要全天連續(xù)覆蓋測(cè)控，只需再發(fā)射一顆中繼星即可實(shí)現(xiàn)。（除中繼測(cè)控任務(wù)外，中繼星還將搭載“VLBI試驗(yàn)系統(tǒng)”與“陣列中性原子成像儀”進(jìn)行相關(guān)科學(xué)研究工作）

兩顆中繼衛(wèi)星即可實(shí)現(xiàn)月球南極地區(qū)全天時(shí)連續(xù)覆蓋（雙星環(huán)月凍結(jié)軌道）

嫦娥七號(hào)著陸器組合體需要選擇在中繼星測(cè)控弧段內(nèi)實(shí)施登月，這一技術(shù)早在嫦娥四號(hào)任務(wù)中就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，地面深空測(cè)控網(wǎng)可近實(shí)時(shí)接收著陸器組合體通過(guò)中繼星回傳的相關(guān)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)。

在歷經(jīng)主減速段、快速調(diào)整段、接近段、懸停段、避障段、緩速下降段、著陸緩沖段共計(jì)7個(gè)時(shí)序階段后，嫦娥七號(hào)著陸器組合體軟著陸于月球南極預(yù)選著陸區(qū)。

著陸器組合體下降過(guò)程

話說(shuō)，預(yù)選著陸區(qū)具體會(huì)在月球南極哪里呢？

如前文所述，著陸區(qū)需要選擇有連續(xù)光照，且離**陰影區(qū)較近的區(qū)域。根據(jù)這些約束條件，月球南極符合登月條件的區(qū)域基本分布在沙克爾頓、霍沃思、舒梅克、坎布斯、德·杰拉許、斯維德魯普這六個(gè)撞擊坑邊緣及連接地帶。

沙克爾頓撞擊坑周邊是比較熱門的著陸位置選項(xiàng)

預(yù)選著陸區(qū)全年光照率基本都在80%以上，話說(shuō)既然有連續(xù)光照的極晝現(xiàn)象，那么會(huì)不會(huì)存在連續(xù)無(wú)光照的極夜現(xiàn)象？**是存在的，但相較于連續(xù)光照天數(shù)，連續(xù)無(wú)光照的時(shí)間要短得多，通常在3至6天范圍內(nèi)，其余時(shí)間則是在陰影與光照之間交替。

雖然連續(xù)無(wú)光照時(shí)間較短，但對(duì)于航天器而言仍然是難以承受的極低溫惡劣工況，因此有必要額外配置熱源以實(shí)現(xiàn)熱平衡。比如NASA抓總研制的毒蛇號(hào)月球車，由于沒(méi)有配置額外熱源，其在月夜環(huán)境中生存時(shí)間無(wú)法超過(guò)50個(gè)小時(shí)，以致于最終壽命很難超過(guò)一年（該月球車登陸緯度較低，著陸區(qū)連續(xù)無(wú)光照的月夜時(shí)間更長(zhǎng)）。

玉兔二號(hào)月球車配置的同位素?zé)嵩?/p>

目前經(jīng)過(guò)實(shí)際工程應(yīng)用驗(yàn)證的額外熱源無(wú)外乎也是兩種方案，一種是類似玉兔二號(hào)、好奇號(hào)、毅力號(hào)這些星球車配置的同位素?zé)嵩矗倬褪穷愃?span id="tl93ptv3" class="candidate-entity-word" data-gid="181711512">祝融號(hào)火星車配置的相變儲(chǔ)能集熱窗。

祝融號(hào)車體頂部配置有相變儲(chǔ)能集熱窗

受月球車尺寸，以及月球南極太陽(yáng)入射角影響，嫦娥七號(hào)月球車并不適合采用類似祝融號(hào)火星車的相變儲(chǔ)能方案，因此最優(yōu)選擇仍然是同位素?zé)嵩础?/p>

月球南極著陸區(qū)獨(dú)特的光照條件將對(duì)嫦娥七號(hào)著陸器與巡視器設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大影響，比如著陸器與巡視器的太陽(yáng)翼需要盡可能垂直布放，以便適應(yīng)較低的太陽(yáng)高度角。

著陸器太陽(yáng)翼對(duì)日指向

嫦娥七號(hào)著陸器組合體成功著陸預(yù)選著陸區(qū)后，巡視器將沿著展開的坡道駛離，該月球車屆時(shí)也許會(huì)命名為“玉兔三號(hào)”，其總體規(guī)模將與玉兔二號(hào)大致相當(dāng)。近年來(lái)，我國(guó)航天在星球車領(lǐng)域的諸多技術(shù)突破也可能在玉兔三號(hào)（為便于行文，后文皆稱此名）身上有所體現(xiàn)。

比如祝融號(hào)火星車首創(chuàng)基于主動(dòng)懸架設(shè)計(jì)的高機(jī)動(dòng)性行駛機(jī)構(gòu)，NASA毒蛇號(hào)月球車就借鑒了這一設(shè)計(jì)，相信玉兔三號(hào)也會(huì)繼承，以便適應(yīng)復(fù)雜月面行駛需要。

《嫦娥七號(hào)競(jìng)爭(zhēng)擇優(yōu)載荷功能指標(biāo)要求》披露，玉兔三號(hào)至少會(huì)攜帶3臺(tái)科學(xué)載荷，分別是拉曼光譜儀、測(cè)月雷達(dá)、月表磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x。與玉兔號(hào)、玉兔二號(hào)兩輛月球車相比，從搭載的科學(xué)載荷看，玉兔三號(hào)是被寄予厚望的。

玉兔二號(hào)月球車測(cè)月雷達(dá)低頻通道天線（高頻通道天線在車身底部）

“測(cè)月雷達(dá)”基本是三輛月球車的標(biāo)配，被譽(yù)為“地外天體**眼”，是我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的雷達(dá)探測(cè)設(shè)備，它可以通過(guò)電磁波對(duì)月球淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)。

玉兔三號(hào)月球車測(cè)月雷達(dá)的性能將再上一個(gè)大臺(tái)階，高頻通道探測(cè)深度超過(guò)40米，低頻通道探測(cè)深度超過(guò)400米，將在國(guó)際上首次對(duì)月球南極著陸區(qū)的月壤和次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行高分辨率探測(cè)。

“拉曼光譜儀”取代了玉兔二號(hào)月球車配置的**成像光譜儀，毅力號(hào)火星車也配置有同類型載荷，具有光譜探測(cè)范圍廣、作業(yè)效率高的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

拉曼光譜儀（毅力號(hào)）

“月表磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x”用于獲取月球表面殘余磁場(chǎng)及其梯度分布規(guī)律，可以與軌道器環(huán)月磁強(qiáng)計(jì)聯(lián)合工作。

嫦娥七號(hào)著陸器將與前輩嫦娥三號(hào)、嫦娥四號(hào)的兩臺(tái)著陸器一樣，不僅承擔(dān)登月使命，更肩負(fù)有科學(xué)探測(cè)任務(wù)，為此也配置了4臺(tái)科學(xué)載荷，分別是月壤揮發(fā)分測(cè)量?jī)x、月表環(huán)境探測(cè)系統(tǒng)、極紫外相機(jī)、月震儀。

極紫外相機(jī)將是同類設(shè)備的第二次登月，此前嫦娥三號(hào)著陸器也曾配置，在嫦娥七號(hào)任務(wù)中該設(shè)備綜合性能將有大幅升級(jí)，主要用于獲取地球等離子體層形態(tài)及近地空間氧離子分布特性的探測(cè)數(shù)據(jù)，為研究地球等離子體層與電離層耦合機(jī)制、太陽(yáng)風(fēng)和磁層相互作用過(guò)程提供科學(xué)依據(jù)。

畫面中左下方設(shè)備就是嫦娥三號(hào)著陸器配置的極紫外相機(jī)

月震儀對(duì)于嫦娥探月工程而言是比較新穎的科學(xué)載荷，它也是人類自阿波羅載人登月工程之后近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)部署的第一臺(tái)月震儀，用于測(cè)量月球表面震動(dòng)狀態(tài)，為研究月震形成的物理機(jī)制和月球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)等提供科學(xué)依據(jù)。

阿波羅登月工程由宇航員**作在月面安裝了4臺(tái)月震儀，由于當(dāng)時(shí)儀器精度限制，導(dǎo)致有很多懸而未決的問(wèn)題爭(zhēng)論至今，嫦娥七號(hào)月震儀有望終結(jié)這一局面。同時(shí)，月震監(jiān)測(cè)對(duì)月面科研站的運(yùn)行安全以及未來(lái)駐扎月面的航天員的生命安全也至關(guān)重要，這既是科學(xué)探測(cè)所需也是現(xiàn)實(shí)所需。

阿波羅12號(hào)任務(wù)在月面安裝的月震儀

嫦娥七號(hào)月震儀隨著陸器落月后將擇機(jī)釋放，并自主完成在月面的安裝工作，具備月夜保溫功能，壽命大于8年。

作為國(guó)際月球科研站基本型組成單元，嫦娥七號(hào)很多工作都是圍繞建站工作進(jìn)行，比如著陸器搭載的月表環(huán)境探測(cè)系統(tǒng)，將開展月表帶電粒子、月塵及電磁場(chǎng)探測(cè)，為月球科研站的空間環(huán)境評(píng)估及保障提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

著陸器除了釋放月球車與月震儀，還將釋放一個(gè)**的飛行器“飛躍探測(cè)器”，它將開創(chuàng)月球**陰影區(qū)水冰探測(cè)的新局面。

曾幾何時(shí)，有網(wǎng)友看到登陸月球表面的嫦娥三號(hào)與嫦娥四號(hào)著陸器，一直有個(gè)疑問(wèn)，就是我們的著陸器能不能著陸之后再起飛至其他位置進(jìn)行探測(cè)？

嫦娥四號(hào)著陸器

事實(shí)上這些著陸器是做不到的，就硬件來(lái)看，首先是推進(jìn)劑余量不足以支持著陸器再進(jìn)行大范圍轉(zhuǎn)移飛行。另外，著陸腿的緩沖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是一次性的，難以支持二次或多次著陸緩沖要求。

雖然在過(guò)去的任務(wù)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)友們的這一愿望，但該設(shè)想在理論上是可行的。嫦娥七號(hào)飛躍探測(cè)器就是一款將著陸器與巡視器高度融合的創(chuàng)新產(chǎn)物，該探測(cè)器配置有**飛控系統(tǒng)，以及支持飛行所需的動(dòng)力系統(tǒng)、著陸系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)多次起飛與著陸，此**作被稱為“反復(fù)起飛與著陸能力”。

飛躍探測(cè)器

它不僅可以反復(fù)起飛與著陸，在著陸之后還能通過(guò)著陸腿實(shí)現(xiàn)月面行走，與其說(shuō)它是飛躍探測(cè)器，其實(shí)倒不如說(shuō)是一款有著多足特征具備飛行能力的機(jī)器人。目前相關(guān)研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)完成了四足與六足飛躍探測(cè)器的方案設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了多輪地面驗(yàn)證測(cè)試。

飛躍探測(cè)器地面驗(yàn)證測(cè)試

飛躍探測(cè)器地面驗(yàn)證測(cè)試

飛躍探測(cè)器除著陸與行走機(jī)構(gòu)外，整體呈棱臺(tái)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)目的也是為了讓太陽(yáng)能電池適應(yīng)月球極區(qū)太陽(yáng)光的低入射角與多變的方位角。在陽(yáng)照區(qū)完成充電后，它將直接飛入有**陰影區(qū)的撞擊坑進(jìn)行探測(cè)。

在此之前嫦娥七號(hào)軌道器配置的合成孔徑雷達(dá)將對(duì)**陰影區(qū)進(jìn)行高分辨成像，從而輔助飛躍探測(cè)器規(guī)劃飛行路徑，優(yōu)于0.3米分辨率的高分辨率圖像可以直接辨別**陰影區(qū)中對(duì)飛行與著陸構(gòu)成威脅的障礙物。

月球南極沙克爾頓撞擊坑連接脊

飛躍探測(cè)器抵達(dá)**陰影區(qū)著陸后，其搭載的月壤水分子分析儀將獲取水冰存在與否的直接證據(jù)，完成探測(cè)后再飛離**陰影區(qū)至陽(yáng)照區(qū)充電，以此循環(huán)往復(fù)。

與嫦娥七號(hào)其他成員長(zhǎng)達(dá)8年的設(shè)計(jì)壽命不同，飛躍探測(cè)器設(shè)計(jì)壽命是6個(gè)月，這表明它沒(méi)有配置適應(yīng)月夜環(huán)境的熱源裝置，是根據(jù)連續(xù)光照區(qū)時(shí)長(zhǎng)約束進(jìn)行的壽命設(shè)計(jì)。有人會(huì)問(wèn)，月球極區(qū)連續(xù)光照區(qū)不都是200天以上嗎，怎么才6個(gè)月？

這就與前文提到的設(shè)計(jì)壽命概念有關(guān)，“設(shè)計(jì)壽命”指的是最低預(yù)期壽命，實(shí)際壽命一般會(huì)在允許的工況條件下延長(zhǎng)。比如嫦娥三號(hào)著陸器設(shè)計(jì)壽命是一年，實(shí)際壽命卻已經(jīng)超過(guò)7年。對(duì)于飛躍探測(cè)器而言，實(shí)際壽命超過(guò)6個(gè)月的可能同樣存在，但就像NASA毒蛇號(hào)月球車沒(méi)有配置月夜環(huán)境下使用的熱源裝置一樣，它們都無(wú)法抵御月夜極低溫環(huán)境的長(zhǎng)時(shí)間侵襲。

飛躍探測(cè)器月面上空飛行效果圖

飛躍探測(cè)器的首開先河證明了一條規(guī)律：創(chuàng)新從來(lái)都不是一蹴而就，這是一個(gè)量的積累觸發(fā)質(zhì)變的過(guò)程。

嫦娥七號(hào)的驚喜遠(yuǎn)不止如此，前面提到的月震儀它不僅可以監(jiān)測(cè)月球自然震動(dòng)，還肩負(fù)有監(jiān)測(cè)人工制造月震的使命。

人工月震？是的，你沒(méi)有聽錯(cuò)。

嫦娥七號(hào)計(jì)劃攜帶“月壤侵徹式勘察器”，該裝置將在距離著陸器約500至1000米距離進(jìn)行月壤侵徹實(shí)驗(yàn)，侵徹深度約1.5米，該裝置基于分布式探測(cè)功能直接開展月壤剖面物性測(cè)量，為研究月壤本構(gòu)特征和反演月壤水冰含量提供數(shù)據(jù)支撐，著陸器部署的月震儀將協(xié)同記錄該裝置制造的人工月震。

月壤侵徹式勘察器主要指標(biāo)

嫦娥七號(hào)一系列的功能創(chuàng)新真可謂是眼花繚亂，其實(shí)它主要圍繞月球地質(zhì)信息、月球空間環(huán)境、關(guān)鍵資源勘查等科學(xué)探測(cè)任務(wù)進(jìn)行，并在上述科學(xué)任務(wù)牽引下突破月球極區(qū)定點(diǎn)著陸、月球極區(qū)精細(xì)勘察、**陰影區(qū)到達(dá)與原位探測(cè)、極端環(huán)境下系統(tǒng)壽命與可靠性驗(yàn)證等工程難題。

嫦娥七號(hào)探測(cè)器整體布局

嫦娥五號(hào)取樣返回任務(wù)是嫦娥探月工程繞落回三步走戰(zhàn)略的收官之作，而繞落回三步走其實(shí)屬于嫦娥探月工程“探、登、駐”三大階段的第一階段。

那么，第二階段的“登”，又該如何理解呢？

“登”字實(shí)際上有雙重含義，載人登月能力的突破是其中一重含義，另外一方面指的是在月面開展更大規(guī)模的科學(xué)探測(cè)。

國(guó)際月球科研站

兩重含義是相輔相成的關(guān)系，以嫦娥六號(hào)、嫦娥七號(hào)、嫦娥八號(hào)為代表的嫦娥探月四期工程則屬于“登”的范疇，它們所探索與構(gòu)建的無(wú)人月面科研站，以及獲取的探測(cè)數(shù)據(jù)將有效支撐載人登月能力的突破。

完成月面科研站建設(shè)與突破載人登月能力，將視為完成“探、登、駐”三大階段第二階段任務(wù)的標(biāo)志。

助力掌握載人登月能力的新一代載人飛船試驗(yàn)船

在此基礎(chǔ)上，后續(xù)再建設(shè)更大規(guī)模有人照料的月面科研站，就可以實(shí)現(xiàn)第三階段“駐”的目標(biāo)。

我們雖然沒(méi)有火急火燎的阿爾忒彌斯計(jì)劃，然而步步為營(yíng)穩(wěn)扎穩(wěn)打的嫦娥探月工程將更具韌性。

本文原作者為陳延俊，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明：出處！如該文有不妥之處，請(qǐng)聯(lián)系站長(zhǎng)刪除，謝謝合作~