无人月球探测器

“月球号”计划是苏联最早的两个月球探测计划之一。该计划是一个具有24个探测器的系列，从1959年一直延续到1976年。它开展了如下活动：月球飞越、绕月飞行、软着陆探测、月球车巡视和月壤取样返回。苏联的月球探测器共有7次成功地在月表软着陆。其中“月球9号”、“月球13号”着陆器对着陆点周围进行摄影和探测；“月球17号”和“月球21号”分别带有“月球车1号”和“月球车2号”，在着陆点附近自动行驶，巡视摄影并进行探测。“月球16号”、“月球20号”和“月球24号”共3次在月表利用钻岩机自动获取月壤样品并运回地球，为精确分析月壤成分打下了基础。这个计划为苏联的月球科学研究与技术验证做出了巨大贡献。

美国早期的无人月球探测计划，主要目标是了解月球、试验技术，为“阿波罗号”载人登月计划做准备。“先驱者号”系列飞越探测、“徘徊者号”系列硬着陆探测、“勘测者号”系列软着陆探测和“月球轨道器号”环月探测等活动先后实施，获得了大量关于月球的科学知识与技术储备，为“阿波罗号”载人登月的顺利实现奠定了必要的基础。

无人月球探测器一般可分为轨道探测器、着陆探测器、月球车和自动采样返回探测器4大类。

图4-1　苏联于1966年10月22日发射的“月球12号”探测器

轨道探测器

月球轨道探测器是指没有着陆在月球表面，或以掠过的形式飞越月球，或长期运行在绕月轨道上的飞行器。这类飞行器可以在较长的时间内获取月球全局性的大尺度探测信息。从苏联早期的“月球号”，到20世纪末新一轮月球探测高潮的“月球勘测者号”、“智慧1号”，都获得了大量科学和技术成果。

“月球1号”和“月球3号”1959年1月2日发射的月球探测器“月球1号”是第一个到达月球附近的飞行器。“月球1号”的预定任务是要硬着陆于月球表面，实际上却从距月球约6000千米远处掠过，进入了环绕太阳运行的轨道。它向地球发回了人类第一张从较近距离拍摄的月球图片，并证实了月球不存在全球磁场。1959年10月4日发射的“月球3号”探测器，从距离约65000千米处掠过月球，向地球发回了第一张月球背面的照片，使人类第一次看见了月球背面的景象。

“月球12号”1966年10月22日发射的“月球12号”（图4-1）探测器是苏联的第二代月球轨道探测器，其发射质量约1620千克，工作轨道为近月点高度133千米、远月点高度1200千米的椭圆环月轨道。它携带了摄像机、酌/X射线谱仪、微流星监测计、月球红外辐射探测仪、磁强计等科学仪器。对月光学成像分辨率达到14.9~19.8米。

月球轨道器号美国的“月球轨道器号”项目是一个月球环绕轨道探测计划，于1966年至1967年间实施，共发射5次，全部获得成功，获取了99%月球表面的1654张高质量照片，其分辨率达到60米或更高。

“月球轨道器号”是绕月轨道上的月面测绘探测器，重385千克，由“宇宙神－阿金纳D号”火箭发射，先射入停泊等候轨道，滑行14分钟后，再通过“阿金纳D号”二次点火，进入周期94小时的地月转移轨道。一旦星箭分离后，此后的轨道校正、制动、转入绕月轨道以及变速变轨任务，就都由星载速度控制系统执行了。在距地球352370千米、距月球1260千米处，进行减速机动，使速度减为5028千米/小时（约1400米/秒），以保证引入初始绕月轨道。

“月球轨道器1号”、“月球轨道器2号”和“月球轨道器3号”是为了对由地面观测预先确定的20个有软着陆潜力的区域进行高精度拍摄而设计的探测器；“月球轨道器4号”和“月球轨道器5号”则是更多从科学目标上考虑而设计的月球极轨探测器，其中“月球轨道器4号”完成了月球正面和95%月球背面的拍摄任务，而“月球轨道器5号”拍摄的照片覆盖了整个月球背面，而且分辨率也比前面4次高得多（最高达到2米）。“月球轨道器号”所获取的照片使科学家得以选择“阿波罗号”飞船载人登月的着陆点。

“月球勘探者号”1998年1月7日，美国发射了“月球勘探者号”（图4-2）小型月球探测器。它的发射质量只有296千克，是一个直径1.37米，高1.28米的圆柱体，伸展出三根悬臂，用于安装各类科学探测仪器。

“月球勘探者号”运行在高度为100千米的极月圆轨道上，在任务周期后期降轨为40千米。它测量了月球的磁场、重力场和辐射环境，同时再次对月球南极可能存在水冰给出了证据，这对引起新一轮月球探测的高潮产生了重要影响。

图4-2　“月球勘探者号”探测器

“智慧1号”“智慧1号”（图4-3）是欧洲空间局发射的第一个月球探测器。其英文名SMART实际上是首字母缩略词，全称为Small Missionsfor AdvancedResearchin Technology。这是一个以技术实验为主的月球探测器。

“智慧1号”2003年9月27日发射，发射质量370千克，携带有19千克科学探测和技术试验仪器。“智慧1号”利用微小推力的离子发动机实现奔月飞行。在经历了14个月的漫长飞行后于2004年11月15日进入月球轨道，开始科学探测任务。“智慧1号”在近月点300千米，远月点1000千米的月球轨道上工作了1年多，进行了月面三维成像、近月空间辐射等科学探测，验证了离子推进、Ka波段通信等先进技术。

“智慧1号”是典型的低成本、小型化、多目标月球探测器的代表。

图4-3　欧洲空间局的第一个月球探测器“智慧1号”

软着陆探测器

软着陆是登上另一个星球，实现开发利用行星、星际移民的第一步，是载人探测必要的技术试验、技术基础和经验积累。这种亲临其境的探测方式，在深度和精度上比卫星的遥感探测要高得多，而两者数据又可互相补充、互相验证；与载人着陆相比，在成本和风险上却要低得多。因此，在行星探测中，软着陆探测无论在技术衔接，还是在科学探测深度中都占据了重要的地位。

苏联、美国早期的月球软着陆探测，主要目的是试验软着陆技术，考察月表的硬度、温度、地形地貌等环境条件，探测月表的有用元素含量及其分布，为载人登月选定位置、做好技术储备。

苏联在1963年1月至1966年12月间，13次发射“月球号”系列月球软着陆无人探测器，在月球成功软着陆2次（“月球9号”和“月球13号”），大部分失败均发生在发射时。1970年11月，“月球17号”和1973年1月“月球21号”先后发射成功。它们携有可自动巡视的月球车——“月球车1号”和“月球车2号”，分别在月面行走10.5千米和37千米。1970年9月“月球16号”、1972年2月“月球20号”和1976年8月“月球24号”又先后成功实现了3次月表软着陆并自动取样返回地球。

美国在1966年5月至1968年1月间共7次发射月球软着陆无人探测器，其中成功5次——“勘测者号”系列的1号、3号、5号、6号和7号。美国没有发射自动巡视探测月球车，而是通过“阿波罗号”飞船把宇航员送到月面上驾驶月球车探测。

“月球2号”1959年9月12日发射的“月球2号”，原计划是在月面上进行软着陆。在向月球飞行途中，“月球2号”释放出由钠气体发出的明亮的橙色云团，以有效地监测探测器，并研究该气体在地月空间中的行为。但在9月14日，“月球2号”的电信号突然中断，表明它已撞击月球，撞击点在腐沼（PalusPutredinus）地区（0°，29.1°N）；大约30分钟后，第三级火箭也撞击在月球上。尽管“月球2号”未能实现预定的月球软着陆，但它通过所携带的仪器首次证实了月球没有磁场（在离月面55千米处进行测量），也没有发现月球周围存在辐射带，并分析了近月空间的宇宙辐射强度。本来计划进行软着陆的“月球2号”反而变成了第一个硬着陆器，并成为月球上第一个人造物体。

“月球9号”是世界上第一个在月球表面软着陆的人造飞行器。总重1538千克，其中推进剂800千克。由着陆器、制动发动机和仪器舱组成。外观如图4－4所示。着陆器为球状，直径58厘米，重100千克，带有摄像机、通信设备、电源和温控系统及其他科学探测仪器。仪器舱中装有姿态控制系统、电池，雷达天线等电子元器件。制动发动机用于地月转移轨道的中途修正和制动着陆，采用液体发动机。着陆器在着陆后展开花瓣状的四片护罩，一方面用于作为天线反射面，发送图像信息，一方面用于支撑、稳定着陆器，其后还展开4根鞭状天线。着陆速度2.6米/秒。

“月球9号”携带的科学探测仪器主要包括电视摄像机、气体放电辐射计数器、亮度标准测量仪、辐射计等。“月球9号”在月表工作48小时，传回了不同光照条件下的月表图像，便于分析月表的地形地貌。

图4-4　“月球9号”外观示意图

“月球9号”探测器在距离月球8300千米时调整姿态，准备制动。用雷达高度计测量距月面的高度，达到75千米时，由地面站发出指令，制动火箭点火，同时由推力器保证探测器的姿态。随着接近月面，着陆器外面包覆的气囊开始充气，在距月面约4米高时，气囊与探测器分离，自由落在月面上。着陆后，气囊与着陆器本身分离，着陆器开始工作。着陆过程示意图见图4－5。

图4-5　“月球9号”着陆过程示意图

“月球13号”与“月球9号”相似，只是有效载荷有所不同。总重1620千克，着陆器重112千克。带有土壤机械性能测量仪、辐射密度计、过载测量仪、月表热流测量仪等，传回大量月表全景图像和科学数据。

软着陆平台“月球16号”、“月球17号”、“月球20号”、“月球21号”和“月球24号”在“月球9号”和“月球13号”之后，苏联研制了新一代的月球软着陆平台，用于为月球车和月表取样返回舱提供软着陆。

平台带有4个柱冠形储箱用于中途修正和近月制动，4个球形储箱用于软着陆，上面提供一个“平台”用于安装月球车或取样返回舱段，用4只带有缓冲装置的“腿”作为着陆机构。仪器有着陆雷达和推力可调的发动机系统、姿态控制系统、陀螺、电子设备等，还有用于测量探测器周围温度和辐射的仪器。星上计算机根据高度和速度控制发动机开关。发动机关机后靠反作用推力器实现最终的着陆。平台总重约5000千克，干重约1080千克。平台结构图见图4-6。

图4-6　苏联拉瓦奇金科研生产联合体博物馆内陈列的月球软着陆平台

探测器首先进入高度110千米的月球圆轨道，然后进入近月点15.1千米的椭圆轨道，抛掉4个柱冠形储箱，开始第一次主制动，然后自由下落。至600米高度时，由多普勒速度计和雷达高度计识别，4个控制发动机点火，在距月面20米时关闭，软着陆发动机在距月面2米高、速度小于2.4米/秒关闭，然后自由下落。

“勘测者号”系列美国从1965年开始研制第三代月球探测器“勘测者号”系列。其主要任务可分为技术试验和科学探测两个部分。技术试验包括试验“宇宙神—半人马号”运载火箭、试验新的航天器设计技术、试验机器人着陆方法、减速火箭的控制，为载人登月选址等。科学探测包括拍摄高分辨率（1毫米分辨率）照片、测量月表的力学特性、测量月壤的机械性能、测量月表的温度和热特征、测量月表的电磁特性、分析月壤的组成等。

“勘测者号”系列探测器共研制发射了7个。探测器所用平台完全一致，只是根据任务要求其携带的有效载荷不同。它们使用“宇宙神—半人马号”运载火箭，在卡纳维拉尔角肯尼迪航天发射中心发射。“宇宙神LV-3C”可把1800千克有效载荷送入地球同步转移轨道。“半人马D”作为上面级把探测器送入地月转移轨道。

“宇宙神号”运载火箭在约96千米高度与“半人马号”上面级及探测器分离。“半人马号”级把探测器送入地月转移轨道。在与“半人马号”级分离前，展开着陆机构和全向天线。在分离时自动展开太阳电池阵。全向天线用于初始捕获，地面由位于南非的约翰内斯堡深空探测中心完成，其后与澳大利亚堪培拉和加利福尼亚的戈德斯通站共同完成跟踪。位于加利福尼亚州的喷气推进实验室空间飞行操作站进行飞行控制计算、在轨操作分析和应用数据接收。

“勘测者号”探测器起飞质量1008千克，干重317千克，月面着陆质量284千克。从发射到着陆共飞行66小时，采用三腿式着陆机构，在月面工作了约14个地球日（图4－7）。

着陆后，航天器太阳阵对日定向，高增益天线对地定向。转发器与天线切换到可用的频段。初始测试后，有效载荷开始工作，通过通信系统传递月球的信息。

“勘测者号”系列探测器为“阿波罗计划”进行了着陆点的选择、着陆技术的验证、月面环境数据的获得等工作，为载人登月的实施奠定了良好基础。

在无人软着陆探测过程中，获得了大量月面的全景图像，月表的地形、地貌，月壤的化学物理特性，以及月球重力场、磁场、温度场、电磁辐射环境等相关探测信息，为载人登月做好了充足准备。1969年7月至1972年12月，美国顺利实施了6次“阿波罗号”飞船登月计划，共有12名宇航员踏上了月球。而苏联的载人登月计划由于种种原因被迫停止。

图4-7　美国的“勘测者号”探测器采用三腿式的着陆缓冲机构

月球车

苏联是唯一实现了月表自动巡视勘察的国家。它通过软着陆平台运送了自动月球车到月面，并实施巡视勘察。

“月球17号”带有“月球车1号”。“月球车1号”自身重756千克，长4.42米，宽2.15米，高1.92米。在月面行走10.540千米，可翻越30°的坡。工作301天后由于能源不足停止。“月球21号”带有“月球车2号”，该车重840千克，在月表行走37千米。在月面行走速度不超过2千米/小时。月球车上带有3台摄像机和其他科学仪器。月球车在月面的行走，是由地面人员通过月球车发回的图像来指挥的。月球车发射状态见图4-8，月面工作状态见图4-9。

“月球车1号”由如下几个基本部分组成：自行底盘，承力密封容器，无线电收发设备，温控、电源、遥控系统，转换组合和电气自动装置，带有成套变电装置的科学仪器。

月球车上装有如下科学仪器和装置：气体放电计数器，带电粒子探测器，X射线望远镜，X射线谱仪，机械穿透器，月球激光定位用的激光角反射器，全套温度传感器。

图4-8　苏联“月球车2号”的发射状态

图4-9　苏联月球车的月面工作状态

有关月球表面地形和结构的大量科学信息来自提供视频信息的装置：小画面电视和遥测光度计。此外，月球车的斜率测量系统可以测定表面坡度及其分布状态的统计数据，月球车的行走装置则可保证获取月球表面土壤力学特性和离散构造强度的间接数据。

“月球车1号”的密封容器是结构的基本部分，用于配置车载系统的设备，并防止外界对它的影响。容器的外面部分用于在其上面配置部分科学仪器，天线，电视摄像机和遥测光度计，温控系统的散热器，上面装有太阳能电池的隔热盖。容器还担当底盘承力结构的角色，并将行走部分的构件固定在上面。容器的形状是一个有凸状上底和下底的截锥体。容器壳体由镁合金制成。上底用作温控系统的散热冷却器。散热冷却器有一个履行双重功能的盖遮挡在上面。在月昼期间，盖打开，这时它被当作太阳能电池板使用。由于盖的机电传动机构能将它锁定在0°~180°角范围内的任何位置，所以它能保证太阳能电池对太阳定向的精度很高。在月夜期间，盖遮挡散热器，阻止热量从容器向外辐射。在容器壳体的前面部分，装有离土壤的高度为950毫米的电视摄像机光源，窄波束天线的机电传动机构，固定式锥形螺旋天线和科学仪器。在容器的左侧和右侧各装有两个鞭状接收天线，带有全景摄影水平轴、结构上与专用光学仪器——月光垂线传感器连在一起的全景电视摄像机。这些传感器制成玻璃杯状，带有径向标定刻度盘和金属珠。标定网格和金属珠的图像投影到摄像机，并作为全景图的一部分传输。在仪器舱的后面部分装有同位素温差发电器，还安装了考察土壤物理-力学特性的从动测量轮和机械穿透器。容器内部，设备安装在固定于下底加强筋的仪器架上。从外面看，在这个加强筋上还固定着行走部分的四个安装基座。

苏联第二个自行探测装置“月球车2号”由“月球21号”探测器于1973年1月16日带到月球表面（图4-10），探测器在澄海的沿海地区，海的东部，直接靠近构造断口之一的勒莫尼埃环行山内着陆。“月球车2号”的总体布局和基本组件结构的解决方案与“月球车1号”相似。同时，“月球车1号”的使用经验有利于对下列设备进行一系列的完善工作，特别是导航设备和窄波束天线控制系统的完善工作。主要变化当属电视系统。电视摄像机中有一台安装的高度与站立人的眼睛对齐，从而使乘员组的工作轻松些。

自动取样返回探测器

图4-10　“月球车2号”在月面行走轨迹图

苏联在20世纪70年代实现了探测器自动采样返回。“月球16号”、“月球20号”和“月球24号”分别实现了三次成功的取样返回，带回了约300克月球样品。

“月球16号”1970年9月12日发射，探测器在9月20日8时12分接近近月点，制动引擎启动6分钟之后，“月球16号”于月球黑暗中实现软着陆，着陆点位于月球南纬0°41′，东经56°18′。“月球16号”（图4－11）着陆后不到1小时，即9时03分，自动钻孔机开始刺入月球表面提取月壤样品。7分钟之后，钻孔机停止于距月表35厘米处。接着，仪器被收回，样品被小心封装于返回器内。任务结束后，“月球16号”耐心地停立在月球上，等待返回地球的指令。9月21日10时43分，“月球16号”上升舱从月球起飞，开始回家的旅程。3天后的8时25分，“月球16号”返回器降落于苏联杰兹卡兹甘东南80千米处。通过精确的自动手段，它采回了101克月球土壤。

“月球16号”发射重量约5800千克，高度大约4米，底部直径约4米。飞船分成两个主要舱段：下降段和上升舱。下降段负责飞往月球途中轨道校正，轨道入射，轨道机动，下降，月表软着陆，还有月球采样，以及为上升舱提供发射平台。上升舱设计为从月表起飞带回月壤样品，进行必要的飞行线路校正（尽管实际上没有进行任何该种校正），再入地球大气层以及完整着陆，这样可以保证珍贵的样品得以安全回收（图4-12）。

图4-11　“月球16号”取样返回探测器

图4-12　苏联的自动取样返回探测器有两个主要舱段：上升舱（上图）和下降段（下图）

钻头和月壤样品被迅速运往一个特别接受实验室，在氦气环境下进行检验。略微大于100克的月壤样品成分如表所示，证明其成分与“阿波罗11号”和“阿波罗12号”宇航员所带回的样品类似。遭受美国月球计划所取得的瞩目成就所带来的痛苦过后，苏联对于世界上对其无人月球探测计划的称赞感到满足。不到两个月的时间后，苏联展示了其全新的技术力量以及其令人惊异的独创性。

“月球20号”1972年2月14日成功发射，21日在月球上着陆。着陆点位于月球北纬3°32′，东经56°33′，距“月球18号”着陆点仅1.8千米，距“月球16号”着陆点120千米。

“月球20号”着陆时间是月球的白天而非“月球16号”的月夜。着陆后，苏联科学家马上开启飞船上电视摄像机，寻找最具希望的采样点。发现一个吸引人的开采点后，钻臂以及旋转钻孔机由装载位置解锁，钻头开始朝月面下降，这个过程大约持续了12分钟。钻孔机与“月球16号”的钻孔机类似。钻头转速500转/分钟，下钻100~150毫米时，钻头碰到坚硬的岩石。钻头继续钻入月面，但由于钻孔环境恶劣，超载保护线路为防止温度过高，促使钻孔机3次自动停机。钻孔结束后，样品被收回，置于“月球20号”返回舱顶部。月壤和月岩被置入返回舱密封。

“月球20号”返回舱于2月25日在暴风雪中着陆于位于杰兹卡兹甘以北40千米的卡尔金吉尔河小岛上。返回舱立即被发现并回收，运送到苏联回收实验室。

“月球24号”1976年9月9日，“月球24号”被发射到远地点243千米，近地点188千米，倾角51.5°的轨道上。“月球24号”将完成“月球23号”未曾完成的任务。另外一个更具吸引力的目标在于从月球一个大的质量瘤——危海（MareCrisium）采样返回。9月18日9时30分，“月球24号”主发动机点火，6分钟后安全抵达月表，着陆点位于北纬12°45′，东经62°12′，该点与不幸的“月球23号”相同，离“月球15号”坠毁地点不远。这次，钻孔机设备完好。在小心解锁、降下钻孔机头部后，苏联管理员启动旋转钻头。经历了看来不太难的一段过程后，钻孔机钻入月下2米，获得一段30厘米长的样品，送回返回舱内。最后返回舱通道被密封，“月球24号”开始等待返回指令。9月23日，返回舱与其有效载荷在8时55分降落，着陆点位于苏尔古特东南200千米处。