第3章 科学目标及探测载荷

无人深空探测任务中探测最多的目的地就是月球、火星和小行星。月球是地球的天然卫星，是离地球最近的天体，研究月球可以探索地月系的起源及演化等诸多方面的信息。小行星是46亿年前太阳系形成初期的行星体，其独特的物理、化学和矿物质特性，成为揭示太阳系起源及演化等重大科学问题的关键。火星被认为是地球的未来，研究火星上水的存在及其消失过程，对地球生态圈的演变具有重要的启示意义。

对月球、火星及其卫星、小行星开展无人或载人探测，不仅有助于了解地球、太阳系乃至整个宇宙的起源和演变，更有助于理解空间现象和地球自然现象之间的关系，极大地丰富人类对地球、太阳系以至整个宇宙起源和演变及其特性的认识。在月球和火星上建立基地，也可更好地开展天文观测和各类科学试验等科学活动；在月球、小行星及火星上开发和利用资源，可以作为人类向更远的深空目标探索提供中转站，为飞向更遥远的星际飞船提供建造材料甚至提供推进剂。此外，实施载人深空探测工程，可以有效地发挥航天员的能动性和在轨服务的优势，完成在轨安装、维修和操作等任务，延长航天器的寿命，提升科学目标，取得更丰盛的科学成果。

3.1 月球探测的科学目标

2019年是Apollo载人登月工程成功实现人类登陆月球的50周年，美国特朗普政府也宣布将在2024年实现重返月球的战略目标，探测月球南极的水冰并开展月球原位资源利用，为后续建立长期月球基地及载人登陆火星奠定科学和技术基础。可以说，人类的第二轮载人月球探测高潮已经来临。那么人类为什么不惜耗费巨资去探测月球呢？分析其原因可以概括成认识月球、利用月球和月面生存等方面，主要表现为：

（1）通过人机联合探测的方式进行月球科学考察，可以获得大量的实地探测数据和丰富的月球样品，有助于加深人类对月球形成、演化及当前状态的认识。

（2）在月球弱重力、无磁场、高真空等特殊环境条件下开展有人参与的物理、化学、天文、地质和原位资源利用等多项科学试验，建立月球综合科学实验站和观测平台，探索月面资源利用的途径。

（3）探索月球环境的生物学效应与内在机制。

（4）研究月球环境对生命活动的宏观过程和微观机理。

（5）利用月球科学实验平台开展生命科学前沿领域探索。

（6）发展空间生物技术，为推动载人深空探测任务而先期开展生命科学研究进行技术验证。

截至2019年10月底，世界月球探测计划的概貌详见附表A。下面重点介绍以美国Apollo载人登月工程和“星座计划”为代表的载人月球探测工程的科学主题和科学目标。

3.1.1 Apollo载人登月工程对月球科学的贡献

Apollo载人登月工程是人类历史上最伟大的国家战略性科技工程，也是迄今为止人类唯一成功登陆地外天体的载人任务。美国从1969年7月16日到1972年12月19日共进行了7次登月任务，只有Apollo-13登月任务失败。表3-1是Apollo载人登月工程中历次登月的基本情况。

根据开展科学探测活动的区域和性质，Apollo载人登月工程的科学探测活动可分为月表及环月轨道的科学探测和实验两个方面。

1．月球表面的科学探测和试验

开展科学探测是Apollo载人登月工程的重要任务，航天员的6次登月活动在月球表面共开展了近30项科学试验项目，主要包括：

（1）科学探测仪器的安装和调试：安装激光反射器、天文望远镜、月震仪、磁力仪、空间环境探测包和其他探测仪器等。

（2）月球野外地质考察：对月海、高地、峡谷和火山口等特殊地区的形貌考察和综合地质调查。

（3）月球内部物理探测：月球热流试验，月表重力场、磁场和电场测量，主动和被动月震测量。

（4）月球环境探测：月球表面气体、月尘、太阳风光谱、超热离子、带电离子、宇宙线等的探测，极紫外照相和光谱仪、流星流量检测、中子探测。

（5）月球样品采集：采集月球岩石和土壤样品。

2．环月轨道的科学探测和试验

航天员除了完成从Apollo载人飞船指令舱及服务舱释放小卫星的技术试验外，还利用轨道器环绕月球期间开展科学探测，主要包括：

（1）利用手持相机、全景相机和绘图相机对月成像，利用激光高度计测量月球地形高程。

（2）开展对地球和月球的紫外照相，以及月球尘埃反射的对日照相。

（3）开展月球伽马射线测量和X射线荧光分析，反演月表物质成分。

（4）利用阿尔法粒子谱仪测量月球表面氡的含量，研究月球气体释放作用；利用质谱仪分析月球表面的气体来源、沉降和运输机制。

（5）利用S波段异频雷达，测量月球形貌和次表层结构。

（6）从Apollo飞船指令舱及服务舱窗口进行流星体观测。

3. Apollo载人登月工程获得的月球科学认识

Apollo载人登月工程在月球科学方面取得了巨大成就，获取了大量的遥感和就位探测数据，航天员共采回381.7kg的月球样品。为利用好这些探测数据和月球样品，NASA成立了专业机构负责保存和处理月球样品，并开展月球科学应用与研究，美国共计200多所大学和科研机构参与了这项研究工作。中国国家天文台的研究人员通过资料分析后认为：美国通过实施Apollo载人登月工程，对月球的地形地貌、表面环境、地质构造、内部结构、化学成分、岩石组成和分布、起源与演化历史等方面的科学认识有了革命性的改变，奠定了迄今为止人类对月球的绝大多数科学认识，主要包括：

（1）月球是一个经历过地质演化和分异的类地行星，不是原始未分异天体，月球具有和地球相似的内部结构。在实施Apollo载人登月工程之前，人类对月球的很多认识来自猜测，通过实施Apollo载人登月工程，人类首次确证月球是由固体岩石物质组成的，认识到月球曾经历过部分熔融、火山喷发、小天体撞击等地质过程；月球有相对较厚的月壳（厚60km）、相对均一的岩石圈（深60～1000km）、部分液态的软流圈（深1000～1740km）、软流圈底部可能存在一个铁质金属核；岩石剩磁表明月球曾经有过全球性的古磁场。

（2）月球保留着太阳系最早期10亿年的撞击历史，而地球由于地质活动强烈，已经遗失了这些历史记录。月球的早期撞击历史对类地行星具有普遍意义，对研究地球和太阳系的早期历史具有重要的科学价值。通过月球上的撞击坑分布与Apollo载人登月工程采集的月岩样品绝对地质年龄的对比，建立了月球的地质时标，为利用水星、金星和火星的环形构造建立各自的地质时标提供了重要依据。而在实施Apollo载人登月工程之前，月球环形构造的成因尚不明确，科学界对地球上类似环形构造的成因存在很大争议；类地行星遥感影像的地质解译在很大程度上也是立足于月球的经验。

（3）月球上最年轻的岩石比地球上最古老的岩石还要古老。在月球上才能发现决定类地行星体的早期地质过程和地质事件，板块活动、大陆侵蚀等活跃的地质活动已经多次、彻底地改变了地球表面，而Apollo载人登月工程探测发现，月岩的年龄从月海玄武岩的32亿年到月陆岩石的46亿年不等，32亿年来月球表面几乎不受扰动。

（4）月球的起源和地球的起源存在密切关系，可能形成于太阳星云的同一区域。Apollo载人登月工程探测发现，月岩和地球上的岩石具有极为相似的氧同位素组成，表明月球和地球具有相似的成因；相对地球生命所需的碳、氢、氧、氮元素而言，月球上高度欠缺碳和氢元素，以及形成大气所需的挥发性元素。

（5）月球上没有任何形式的生命，没有活的有机体，没有古生物化石，没有原生的有机化合物。大量分析月球样品也没有发现月球上过去和现在存在生命的任何证据，即使非生物的有机化合物也不存在，痕量的有机物是由小天体撞击带来的。

（6）所有的月球岩石都经历过没有水参与的高温过程。月球岩石类型包括玄武岩、斜长岩和角砾岩。玄武岩是充填月海盆地的暗色熔岩，总体上与组成地球洋壳的熔岩相似，但更古老；斜长岩是形成月陆高地的亮色岩石，总体上与地球上的斜长岩相似，但比地球上最古老的岩石还要古老；角砾岩是由其他岩石类型通过小天体撞击导致的粉碎、混合、烧结等形成的复合岩。月球上没有发现砂岩、页岩和石灰岩等证明水存在过的岩石类型。

（7）在月球的早期地质历史中曾经历较大深度的熔融，形成岩浆洋。月陆的斜长岩就是早期岩浆洋中上浮的、低密度的、富含长石物质的残留物。月陆形成于距今44亿～46亿年，厚度达数十公里。月球地质形成历史中曾有无数的小天体撞击月陆，在月球盆地间形成一系列的弓形山脉。

（8）在岩浆洋事件之后，月球受到一系列小天体的巨大撞击而形成了盆地。由于月球重力只有1/6g，这意味着月球火山熔岩的流动阻力较地球更小，熔岩行进更为流畅，因此月球阴暗区的表面大都平坦而光滑。同时，流畅的熔岩流很容易扩散开，形成巨大的玄武岩平原。大型的暗色盆地形成于月球地质历史早期，并在32亿～39亿年前被后期岩浆充填，如雨海就是一个巨大的撞击盆地。月球拥有一个火山活动活跃的过去，月球火山活动主要为岩浆的泛滥，火山喷发形成了一些橘黄色和鲜绿色的玻璃珠体。

（9）熔岩管是由火山喷发时流动的熔岩形成狭长结构，但熔岩管和岩脉为何具有如此强的磁性？答案在于在30亿年前的古代火山喷发时，月球所处的环境可能是独一无二的。科学家发现Apollo载人飞船带回的月球岩石也是有磁性的，试验发现这些岩石在无氧环境受热超过600℃时磁性会增高。这是因为某些矿物质在高温下分解并释放金属铁，如果附近有足够强的磁场，新形成的铁就会沿着磁场方向被磁化。这对于研究早期月球磁场环境意义重大。

（10）月球总体上存在不对称性，背面的月壳比正面的更厚，月海和质量瘤大多数分布在月球正面，这种不对称性可能是月球在地球引力影响下的演化结果。月球内部的质量分布并不均衡，大型的质量密集体（质量瘤）多隐伏于大型月球盆地以下，可能是高密度岩浆集聚区。相对于月球的几何中心，月球的质量中心偏向地球方向数千米。

（11）月球表面覆盖着一层由岩石和矿物碎片、尘埃组成的风化层，也称为月壤。月壤是月球表面在地质历史中遭受无数的小天体撞击形成的。月壤中包含着独特的太阳辐射变化历史，对研究地球的气候变化具有重要意义。由于太阳风的注入，表面的岩石和矿物颗粒富集来自太阳风的化学元素和同位素。月球表面完整记录了40亿年以来的太阳活动历史，记录的完整性在太阳系其他天体上很难找到。

3.1.2 “星座计划”提出的月球科学探测主题和科学目标

2009年美国提出重返月球的“星座计划”，提出了新世纪月球探测的科学主题和主要科学问题，确定了“星座计划”的科学探测发展战略，并详细规划了无人月球探测阶段和载人月球探测阶段的科学目标。

1．月球探测的四大科学主题

“星座计划”提出月球探测是一项涵盖众多科学问题和凝集最新科技成果的伟大工程。月球科学与相关学科的密切结合和相互渗透，使月球科学的研究领域不断扩大，主要包括四大科学主题：

（1）早期地月系统科学。大碰撞学说是有关月球成因的一种假说，认为一个火星大小的行星体撞击早期地球，撞击而成的碎片聚集形成了现在的月球。但是45亿年前具有相似物质组成和热状态的月球和地球，为何沿着不同方向演化，并具有完全不同的演化史，是什么因素控制着月球和地球演化方向？

（2）类地行星的分异和演化。月球作为一颗类地行星，在其形成之后的几百年里演化形成了月壳、月幔和月核的圈层结构。岩浆洋假说认为在月球演化早期，曾经存在广泛熔融的岩浆海洋，现在的月壳和月幔就是岩浆洋结晶分异的结果。但目前对月球的岩浆演化过程知之甚少，岩浆洋假说是否适用于其他类地行星也未可知。

（3）内太阳系撞击记录。月球形成于45亿年前，在地质历史中长期遭受小天体撞击。月球表面存在的较大撞击坑都是早期形成的，这一时期的月球和地球都遭受太阳系内小天体的猛烈撞击，这些撞击作用可能直接影响了地球上的生命起源和演化，但遗憾的是地球上的早期大型撞击记录绝大部分已经被后期地质作用改造和破坏。在月球形成之后，撞击频率整体上逐渐降低，只有部分时期撞击频率升高，而且至今仍然保存着这些撞击记录。通过对月球撞击坑的研究，将揭示太阳系的撞击历史。

（4）月球环境。月球环境非常特殊，但这些环境特征对月球探测任务非常关键。月球表面接近真空状态，在太阳辐射的作用下，表面的痕量气体产生电离，与太阳系内一些天体相似。由于月球缺乏整体磁场的屏蔽，月壤遭受宇宙射线和太阳风粒子的持续照射，月壤中累积的气体和其他辐射记录对于研究太阳的成分演化有非常重要的意义。

月球探测的四大科学主题对了解月球的特殊环境、认识月球和地月系统的起源与演化有重要意义，而且对揭示地球的演化和生命的起源同样有重要的启示意义。

2．月球探测的主要科学问题

“星座计划”提出了月球探测应重点关注的八个方面的主要科学问题：

（1）通过对月球撞击坑的研究，揭示内太阳系的撞击历史。

（2）月球内部的结构和组成为研究分异型行星体的演化提供重要信息。

（3）研究月壳岩石的多样性，揭示行星演化过程。

（4）研究月球极区环境经历的挥发性物质逸散，揭示太阳系后期演化史。

（5）研究月球上的火山作用，分析月球内部热演化和物质成分演化。

（6）研究月球撞击作用，探讨太阳系早期天体撞击的过程、机制和影响。

（7）研究月表月壤层的形成，揭示无大气层天体表面的太空风化作用。

（8）研究月表稀薄大气和月尘的运动过程，探讨其他天体上的原始环境特征。

3. “星座计划”的科学探测发展战略

根据月球探测的八个方面的主要科学问题，美国NASA制定了“星座计划”开展月球探测的科学目标，并根据科学价值的重要性进行了排序。经过论证，“星座计划”提出的科学探测发展战略有：

（1）深化月球科学的认识：探测月球本身，研究月球的起源与演化。

（2）月球作为科学试验平台：利用月球的特殊环境，以月球为试验平台开展高真空、低重力条件下的科学试验，测试新型航天技术，为载人深空探测奠定基础。

（3）月球作为深空探测的中转站：以月球为跳板，开展对火星和太阳系其他天体的探测。

（4）深化月面环境与近月环境科学的认识：研究月球表面和近月空间的主要环境特征。

论证规划中的“星座计划”包括无人月球探测和载人重返月球两个阶段。无人月球探测的任务实施时间集中在2008—2014年；载人重返月球的任务实施时间集中在2018年之后开展，包括短期、中期和长期载人月球探测任务。

4．无人月球探测阶段的主要科学目标

“星座计划”中无人月球科学探测的重点是：实施绕月探测和机器人登陆月球等探测任务，为未来载人登月提供月表精细地形地貌等基本信息，同时开始发展和试验月球资源原位利用、就位发电和自主智能系统所需的技术。

无人月球探测阶段的主要科学目标有：

（1）确定月面适宜的登陆区，为机器人登月和载人登月任务做准备。获取月球表面高分辨率影响和精细三维地形；确定月球的基本环境参数；对优选的登陆区域成像，分析载人登月的可能风险；分析月球特殊环境（高辐射、低重力等）对航天员可能造成的伤害。

（2）为月球资源原位利用做准备。勘探和估算月球上可供开采和长期利用的资源；圈定月球水冰富集区，估算水冰资源量。

（3）发展和测试重返月球的技术手段。发展月表特殊环境的防护技术，保证硬件系统和航天员的安全；发展月球水冰资源的就位利用、月球上氧气的生产技术。

（4）建立起重返月球必需的基础设施。建立起完善的通信设施；在月表试验建立能源供应设施；建立起与后续任务相关的其他系统和设备。月球先锋机器人计划是“星座计划”的第一步，包括月球勘察轨道器（Lunar Reconnaissance Orbiter, LRO）、月球坑观测和遥感卫星（Lunar Crater Observation and Sensing Satellite, LCROSS）两个探测器，2009年6月19日这两颗卫星发射成功。

LRO探测器的科学目标是：探测月球表面精细三维地形，搜寻月球表面适宜载人登月的地点，勘察月球资源，探测月球辐射环境以及测试新的月球探测技术。LRO携带激光高度计、高分辨率相机、多光谱相机、中子探测器、月球辐射计、紫外成像光谱仪、宇宙射线辐射效应望远镜、X波段和S波段合成孔径雷达等有效载荷。利用LRO的探测数据，绘制了高分辨率三维月球地形图、月球昼夜温度图、全月球矿物分布图以及月球的紫外线反照率图等。

LCROSS探测器的科学目标是：探测月球表面永久阴影区内是否有水存在，如果有水存在则确定月壤中水的含量；确定撞击坑中的月壤成分。LCROSS携带5台相机、3台光谱仪和1台光度计等有效载荷，所有科学载荷都是围绕在月球极区找水这个核心目标而设计的。

这两颗卫星的科学发现，为美国Artemis计划的登月点最终确定为登陆月球南极做出了重要的贡献。

5．载人月球探测阶段的主要科学目标

“星座计划”提出可将4名航天员送至月球表面停留7天，除实现美国重返月球的战略目标外，还可进一步开展月球资源的勘探和原位利用，在月球上生产出可以利用的水、氧气、推进剂和其他必需品，建设长期的载人月球基地。

在科学探测方面，重返月球计划不是重复Apollo工程的探测内容，而是重点开展月球资源的就位开发和利用，为建设载人月球基地做准备，主要包括勘测月球地形和地质，寻找水和矿产资源，建造与载人月球基地相关的能源供应、通信设施、采矿设备、基地建筑等。

在建设载人月球基地和月面实验室后，航天员可以在月面上开展空间生物学、天文学和物理学等科学试验，同时评估人类对低重力、强辐射等恶劣空间环境的耐受力，研究和论证航天员在地外天体长期驻留的方式，这对未来实施载人登陆火星工程非常重要。

以月基天文学研究为例，天文学家经过反复论证后发现，以月球为基地开展天文观测有着天文观测卫星所不能比拟的优点。月球为天文望远镜提供了一个巨大、稳定而又极为坚固的观测平台，因而可以采用结构简单、造价低廉的安装、指向和跟踪系统。这一点是处于失重状态的天文卫星所望尘莫及的。同时，月球表面的重力只及地球表面重力的1/6，因而在月球上建造任何巨大的建筑物都要比地球上容易得多。月球上没有空气，因而也没有风，其表面环境实际上处于超真空状态，故而开展天文观测不会受到大气因素的影响。经过充分开发利用后的月球，能够提供各种必需的原材料，这对于在月球上安装理想的天文望远镜（特别是大口径的天文望远镜），以及建设与之相配的观测站将是十分有利的。

从天文观测工作本身来讲，由于月球远离地球，它所受到的人类活动的影响和地球本身各种活动的影响要比人造卫星小得多。此外，由于月球的自转周期和它绕地球的公转周期恰好相等，因而它总是以同一面面对着地球。如果我们把观测仪器（特别是射电望远镜）放在月球的背面，则地球对天文观测的不利影响就更小了。月球的天空即使在白天也是全黑的，而且它的自转周期长达近一个月，这就使得我们能够观测到望远镜视线所及的全部天空，并对暗弱的天体进行充分长时间的积累观测。

同其他各种空间天文技术相比，在月球上开展天文工作的最大优点很可能是：随着载人月球基地的发展，人力、物力的支援可以就近提供。人们在月球上建造大型的、复杂的天文望远镜不仅成本低廉，安装简便（与在轨组装同类天文卫星相比），而且所有部件都能由熟练的技术人员就近进行维修和更换。尽管天文观测设备将实现全自动化，但航天员发挥的人类智力的现场支援作用无疑会使天文观测仪器变得更高效、更智慧。

尽管Apollo载人登月工程的成功实施表明，人类有能力登上月球，并对月球和它的表面环境有了许多新的认识，但这些认识对于后续建设月球基地来说还是很不够的。许多细节问题还有待于进一步探究。例如，人怎样才能在真空和尘埃条件下有效地工作？如何防止宇宙射线和微陨星对人和仪器形成的威胁？怎样应对月球表面昼夜温度的剧烈变化？等等。为此美国在重返月球的“星座计划”中提出在月球上建设月基天文台的设想，其天文学目标如表3-2所示。

毫无疑问，真正实现以载人月球基地为基础的天文观测还需要很长一段时间，载人月球基地的开发和建设更为耗资巨大，工程技术难度更大。月基天文台的建设也必然要经历螺旋式发展的过程，然而它对天文学发展所能带来的光辉前景正鼓励着人们朝着这个目标前进。

3.2 小行星探测的科学目标

小行星是指沿椭圆轨道绕太阳公转的岩石或者金属小天体，它的体积和质量比行星要小得多，但是与流星体的界限还不是很明确。英国皇家天文学学会将小行星与流星体的分界线定义为20m，而维基百科全书将其分界线定义为50m。到目前为止，太阳系内一共发现了约127万颗小行星，而直径超过240km的小行星大约有16个。小行星的大小差异很大，微型小行星只有鹅卵石般大小，而最大型的小行星现在被定义为矮行星。国际天文学联合会目前承认的矮行星有5颗：谷神星、冥王星、妊神星、鸟神星和阋神星。绝大多数的小行星集中在火星与木星轨道之间的小行星带，称为主带小行星；少数小行星的运行轨道与地球轨道相交，曾有某些小行星与地球发生过碰撞，这类小行星称为近地小行星，它们会对地球和人类的生产、安全构成潜在的危险。小行星是46亿年前太阳系诞生初期形成的行星体，也有人认为小行星是由一个大行星在亿万年前被撞击碎裂后的遗留物，现在大多数理论支持前者。事实上，如果将所有小行星的质量加起来考虑成一个“大行星”，这个“大行星”的直径也只有1500km左右，还不到月球直径的1/2。

小行星是靠反射太阳光才被观测到的，其亮度与其相对太阳和地球的距离、相位角和本身的反照率有关系。为比较各小行星的亮度，常把观测得到的视星等换算成绝对星等，即小行星距离地球为1 AU且相位角为0°时呈现的视星等。大多数小行星的绝对星等为11～19等，平均值为16等。

小行星的表面性质和物质成分可用光谱法、多色测光法、偏振法、红外及射电辐射法、雷达探测等方法进行探测研究。衡量小行星表面性质的一个重要参数是反照率，包括球面反照率和几何反照率，跟小行星表面物质的性质（成分、颗粒大小、表面结构等）有关。最初小行星被划分为反照率小的碳质（C型）小行星和反照率大的石质（S型）小行星；后来科学家结合反射光谱等特征将小行星划分为多类（C、B、F、G、P、D、T、S、M、E、A、Q、R、V型等）；最新的分类研究应用发射光谱和反照率，把小行星分为S、C、X三大类以及一些次要的异常类型，每个大类下面又可分出亚类，共26个光谱型。

小行星表面的反射光谱反映了它本身的物质组成，如S型小行星的表面主要成分为硅酸盐与金属铁；M型小行星的表面主要成分为金属铁；C型小行星的表面化学成分与太阳大气的平均组成很相似（挥发性组分除外），富含碳质和有机质成分，类似于碳质球粒陨石。不同类型的小行星是由于其内部发生了不同程度的熔融分异的结果，反映了太阳系的演化历史。小行星在漫长的太阳系演化过程中，相互发生碰撞并破裂成众多碎片，有些碎片进入地球重力场而陨落成为陨石。因此陨石是研究小行星以及太阳系的珍贵样品。图3-1给出了近地小行星的概念示意图，根据人类对火星轨道以内的近地小行星的认识，目前将近地小行星分为以下四类：

（1）阿坦型（Aten）：半长轴小于1 AU、远日距略大于0.983 AU（地球近日距），与地球轨道类似，与地球相撞的可能性最大，据估计平均1亿年会有一颗小行星撞击地球。目前，对地球威胁程度最高的阿坦型小行星，是于2004年发现的小行星（99942）阿波菲斯（Apophis），该天体有可能于2036年前撞上地球，酿成灾难。

（2）阿波罗型（Apollo）：半长轴大于1 AU、近日距小于1.017 AU（地球远日距），这些小行星的偏心率较大，能够穿越地球轨道，据估计平均每10亿年会有三颗撞击地球。大约50%的近地小行星属于此类。

（3）阿莫尔型（Amor）：近日距在1.017～1.3 AU，由于受到大行星的引力摄动影响，其轨道发生变化有可能与地球交叉，因此存在撞击地球的危险，据估计平均每10亿年会有一颗撞击地球。大约40%的近地小行星属于此类。

（4）阿迪娜（Atira）：又称为阿波希利（Apohele）小行星，其轨道完全在地球轨道内部，因此又称为地内小行星。阿迪娜型小行星很难被探测到。

目前，人类开展的小行星探测活动主要是近地轨道的小行星，发射的著名小行星探测器包括美国近地小行星交会（NEAR）探测器和“黎明号（Dawn）”小行星探测器、欧洲的“罗塞塔号”探测器、日本的“隼鸟号”小行星探测器等。截至2019年10月底，无人小行星探测计划的概况详见附表B。对近地轨道小行星的探测、捕获、资源开发利用以及小行星的防御是当前小行星探测的重点，载人小行星探测任务主要是美国提出的小行星重定向任务（Asteroid Redirect Mission, ARM）。开展无人及载人小行星探测的科学目标包括以下几类：

1．研究小行星轨道演化机制，评估近地小行星撞击地球的威胁

小行星撞击地球事件已经是无可争辩的事实，直径1km大小的小行星撞击地球时释放出的能力相当于地球上所有核武器爆炸产生的破坏力，这将对地球文明造成毁灭性灾难。那么这些近地小行星是怎样从小行星主带迁移到近地轨道来的呢？未来近地小行星撞击地球的概率是多少？这是小行星探测领域研究的重要课题。例如，4660 Nereus小行星将在2060年2月14日距离地球仅为0.008 AU，有很大的概率撞击地球，目前全世界都在加强对这颗小行星的观测。行星科学家研究发现，小行星的自转速率、自转轴的指向、密度、形状、磁场强度是影响小行星轨道演化的重要因素，然而地面上的天文观测很难准确测定这些物理参数，特别是对那些直径在亚公里以下的小行星，地面观测更加困难。这些小行星的数目比直径大于1km的小行星多很多，因此它们对地球的潜在威胁更大。只有通过深空近距离探测，才能全面准确了解这些小行星的物理特征，改进对小行星的长期轨道演化研究，及时预测未来小行星碰撞地球的概率。

2013年12月5日，《Science》杂志公布了NASA通过地面雷达对6489号近地小行星Golevka连续12年的观测结果，结果发现亚尔科夫斯基效应（Yarkovsky效应）导致该小行星的轨道偏移了16km，这对精确预测小行星，特别是近地小行星的长期轨道提出了新的要求。因此，小行星探测的科学目标之一就是测量小行星群的物理性质，包括大小、质量、形状、自转特征、密度、表面状态、反照率、反射光谱等；通过测量小行星的大小、质量可以推测小行星的体积密度及多孔性程度，进一步对小行星的表面化学成分和矿物组成进行评估；通过测量表面物质的光学特性和辐射能力、磁场强度等信息，从而确定小行星表面不均匀热辐射产生的加速度，才有可能精确测定小行星的运行路径，进而为确定预防近地小行星撞击方案提供关键数据。

2．测定小行星的内部结构和组成成分，建立小行星和陨石之间的直接关系

小行星是太阳系形成早期的产物，由于其体积较小，形成之后没有发生重大的地质变化，较完整地保留了太阳系形成早期的状态，反映了形成过程的物理化学变化，它们的化学成分和矿物组成对研究太阳系的起源有很重要的意义。

通过高精度测量小行星的表面形态，包括撞击坑、裂痕、凹槽、突起等，记录撞击坑和溅射物的丰度和分布，测量表面风化层的厚度，进而研究小行星演化过程中所处的空间环境变迁，表面物质所经历的空间风化作用程度，以及空间风化作用对表面风化层的反射光谱的影响。

目前除了少数月球和火星陨石，绝大多数陨石都来自小行星碎片。目前全世界收集到的3万多块陨石样品中，80%是普通球粒陨石，其余为碳质球粒陨石、顽火辉石球粒陨石和分异陨石（无球粒石陨石、石铁陨石和铁陨石）。原始球粒陨石代表了太阳系最原始的物质组成，而分异陨石的化学成分和矿物组合变化很大，从玄武质无球粒石陨石，到石铁陨石和铁陨石，它们是太阳系早期小行星内部岩浆熔融分异的产物。要充分认识陨石的特性以及它们在太阳系形成过程中的作用，必须首先了解陨石的来源和陨石母体的特性。长期以来，人们试图建立小行星和陨石之间的关系，通过研究陨石来确定小行星的形成，内部熔融分异和演化的历史。按照常理，常见的普通球粒陨石的小行星母体应该存在于小行星带内，然而长期的天文观测并没有在小行星带内找到与普通球粒陨石的反射光谱相同的小行星，这是当今行星科学面临的较大困惑。因此，找寻普通球粒陨石的小行星母体也成为行星科学的重要科学目标。

3．研究小行星有机成分对地球生命起源的意义，以及水在小行星形成和演化过程中的作用

氨基酸是地球生物圈的重要组成单元，地球上的生命大多具有左旋手性的氨基酸，这是探测生命起源的重要基础。有理论认为，生命起源于无手性的有机分子，而生物在长期演化过程中有选择性地利用了特定手性的有机分子。另一种理论认为，在生命起源之前，地球上就已存在大量左旋手性的有机分子，生命就是从这些有机物中发展和演化而成的。然而，在早期的地球环境下发生的化学反应却不能产生适量的具有左旋手性的有机分子。因此，也有人认为组成生命的左旋手性有机分子（如氨基酸）是由陨石、彗星和宇宙尘埃带入地球的。

在地球上观测到的富含挥发性成分的碳质球粒陨石含有多种有机分子，包括氨基酸、咖啡碱、嘧啶磷等生命起源所需的重要有机分子。C型小行星的反射光谱与碳质球粒陨石相似，表面物质富含碳和水，有机物含量也很高，但是其相对密度却只有碳质球粒陨石的一半，它们可能含有20%的水。然而，S型小行星的反射光谱并不显示真有水的存在，但其相对密度却很低，这是否说明所有小行星都含有水？还是小行星内部具有特殊的结构，它们比地球上最松散的砂岩还要松散？水在生命起源和演化过程中起到了非常重要的作用，另一方面水又是重要的自然资源，可以作为人类深空探测的资源补给站。

目前，全世界收集到的3万多块各种类型的陨石，大多数来自S型、C型和M型小行星，但是还有很多类型的小行星（如T、D、O、Ld型等），与其对应的物质却不在陨石之列。这些类型的小行星物质的化学成分和矿物组成有什么特性？是否代表了太阳系最原始的物质？有没有经历过水变质和热变质作用的影响？

为解决这些科学问题，仅仅依靠实验室的陨石分析和地面望远镜的小行星天文观测是远远不够的。需要对小行星进行近距离和零距离观测。通过携带近红外光谱仪和γ射线光谱线，可能寻找到表面风化层的含水矿物，综合表面物质光谱学数据来研究小行星所经历的水变质过程，以及水变质过程对小行星反射光谱变化的影响。此外，C型小行星占小行星总数的75%，从这类小行星上直接采集样品返回地球，对研究生命的起源具有重大意义。

4．探索小行星的起源和形成机制，以及恒星演化和恒星与行星形成的关系

太阳系形成于45亿年前，星云学说认为原始太阳在星云中产生，有以下几个阶段：首先慢速旋转的气态星云由于自引力而塌缩；其后星云中心逐渐冷却而发生凝聚，且其自转速度加快而变得愈发扁平；最后原始太阳在星云中心生成，且周围伴有旋转的气态星周盘。量子假说进而指出，当行星盘冷却后，微米大小的岩石和冰状混合凝结颗粒落在盘中央的平面上，进而固态小颗粒经过相互碰撞，从很薄的尘埃层生长为公里级的星子，接着星子之间发生了大规模的相互碰撞而形成千公里级的行星胚胎，最后由行星胚胎形成目前的大行星，残存的尚未发生吸积的星子即组成太阳系小行星（小天体），如主带小行星和柯伊伯带的天体。但是关于小行星的形成机制还存在许多未解之谜。

此外，同位素分析表明，有些陨石含有短周期放射性元素（26 Al、40Ca、53 Mn、60Fe等），还有些陨石含有前太阳恒星尘埃（如碳化硅、石墨、氧化铝和氧化钛等颗粒）。这些由原始太阳星云附近的恒星向太阳系抛入的物质，它们有可能是星际介质的分子，也有可能是恒星的尘埃，因此蕴含了大量恒星形成和演化过程的“密码”。然而，想在陨石中寻找恒星物质非常困难，目前只在少数原始球粒陨石中找到了恒星物质。通过对不同类型小行星的采样返回探测，可以提供新的恒星物质类型，对深入认识恒星形成和演化历史以及恒星在太阳系形成中所起的作用至关重要。

5．开展小行星高价值样品的采样返回及原位资源利用

开展小行星探测，可分析近地小行星的内部结构及其成分（整体结构还是碎石堆），描述表面热和电属性，测量整体物理属性（质量、形状、密度、孔隙度、自旋、强度），描述表面机械属性（运动碰撞的动量系数、地形地貌特征对运动的影响），并确定影响近地天体重力场的系数。通过载人小行星探测任务，可以充分发挥航天员智能优势，现场采集价值较高的样本，通过研究表岩屑属性（如细颗粒、碎石、卵石）和颗粒结构，确定小行星表面演化情况并描述其特征。

近地小行星具有微重力环境，它们的内部结构也差异很大，有的是整体结构，有的是松散的碎石堆，所以在近地小行星表面运动难度很大。采取什么样的链接措施（锚固、结网）合适，取决于目标的特征。另外，只有了解近地天体的特征，才能量化和启动针对近地天体资源的原位资源利用与勘探。此外，可根据近地小行星的成分，原位制造推进剂或者生保消耗品，或用作制造工艺或屏蔽装置的原材料，这对于实施载人火星探测等复杂任务具有重要的作用和意义。

3.3 火星探测的科学目标

火星是太阳系八大行星之一，属于类地行星。火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、砾石遍布且没有稳定的液态水体。火星上以二氧化碳为主的大气既稀薄又寒冷，沙尘悬浮其中，每年常有尘暴发生。火星两极皆有水冰与干冰组成的极冠，会随着季节消长。

人类探测火星的目的除了探索宇宙的奥秘之外，还在于火星是地球的近邻，它的特征在很多方面与地球极为相似。从火星演化程度来看，火星正好处于地球和月球之间（地球是演化的壮年期，月球已经死亡，而火星是老年期）。因此，开展火星探测研究，将为类地行星乃至太阳系的演化提供重要的补充和启示。此外，对于认识人类居住的地球环境，特别是认识地球的长期演化过程，是十分重要的。截至2019年10月底，无人火星探测计划的概况详见附表C。

总体来看，人类开展火星探测的主要科学目标有：

1．寻找火星生命存在的痕迹

从20世纪中期至今，人类开展了火星的空间探测，其中包括火星是否存在生命的探测。到目前为止，所有的火星探测结果都证明火星现在没有任何生命活动的迹象。尽管如此，人类并没有放弃对火星生命活动信息的搜索。从火星独特的地形地貌特征（如河网体系、海洋盆地、极区冰盖的消失等）和接近地球的表面环境，仍有理由认为火星的过去存在生命的活动。关于地外生命存在的探寻，不仅反映了人类的好奇心，更是人类探索太空的动力和社会责任。因此，探寻火星生命存在的征程才刚刚开始。

美国发射的“凤凰号”火星探测器用左旋乳酸和右旋丙氨酸的细胞培养液与火星上的土壤混合时，发现混合样本释放出的部分气体具有独特的手性特征，大部分的测试结果表明，火星的释放气体都是右旋性。众所周知，组成地球生命体的氨基酸几乎都是左旋性，而没有右旋性。因此，部分科学家认为火星表面的土壤样品没有地球生命构成的基本物质。

2．了解火星上水的存在及其消失过程

人们根据观测结果推论，火星上有干枯的河川，在远古时期，火星表面大部分地区覆盖着水，也可能存在过生命。火星表面水的消失可能是生命消失的主要原因。那么地球上的水会不会消失？地球上的生命会不会也最终消失？这是需要通过火星探测来进行比较研究的一个问题。关于火星表面水的消失过程的理论机制问题，科学界主要有两种观点：一种认为火星表面的水以沉积岩的形式存在于火星的地表以下；另一种则认为水是通过蒸发和电离，变成带电粒子沿着火星的磁力线逃逸出了火星的大气。第一种观点的研究，需要对火星的地质进行进一步的探测，从而研究火星的地质成分以及火星上的岩石形成机制。第二种观点的研究，需要对火星磁场的长期变化进行探测。通过探测火星岩石中的剩余磁场，从而研究火星上组成水的离子成分如何在不同历史时期的不同强度磁场控制之下进行逃逸的过程。这两种观点的证明都需要对火星上的水与挥发机制进行系统研究，包括存在形式、分布、总量、逃逸过程以及与其他类地行星或陨石进行比较。

尽管探测器从各个方面发现了一些证明火星有水存在的证据，但是火星地外生命探测还是遇到了一些难题，包括：

（1）火星大气中甲烷气体目前无法确定是有机成因还是无机成因。

（2）火星表面发育过海洋盆地、湖泊和河网体系，但至今火星表面没有发现活动的水体，那么水体埋藏的部位、深度与分布有待深入探测。

（3）如何从火星沉积岩中寻找含有古老信息的化石并精细圈定火星表面沉积岩的分布？

尽管在火星陨石的研究中发现了一些火星可能曾经发育过生命的“证据”，但在火星上如何从沉积岩中寻找到含有古老信息的化石仍是个重大挑战。探寻和圈定含有化石的火星沉积岩将是探测火星过去存在生命的突破点，是未来火星着陆器寻找火星过去曾经发育过生命的重大科学任务。

3．了解火星大气和气候的演化过程

如果火星上曾经存在过类似地球上的生命的话，那么火星在远古时期应该有一个类似于地球那样的大气层来保护生命的存在。现在火星上的大气条件根本不适合生命的存在，火星的大气是如何演化成今天的状态，主要控制因素是什么？地球的大气经过长期的演变会不会像火星现在一样，也是需要通过火星探测来进行比较研究的一个重要科学问题。

“海盗号”、“哈勃”太空望远镜、“火星探路者”、“火星全球勘探者”等探测器对火星大气层进行了详细的探测，大量探测数据显示火星大气稀薄（700～900Pa）。其大气的主要成分有CO2、He、14N与13N、40Ar、O2，其中CO2的体积分数为95%；微量气体有H、N2+、CO、CO2+、CO +、Kr、Xe等。火星的大气层不是原生大气层，而是在火星演化过程中，火星内部的脱气过程而形成的次生大气层。

火星大气的演化是一个非常复杂的过程，综合作用因素很多，可能与太阳的距离和相对位置关系、火星表面温度、火星的整体化学成分及其热演化，以及火星水体的演化等因素相关。为了能准确地了解火星大气演化的过程及特征、气候的变化和过去生命活动的历史及其相互关系，还需要对火星大气层的成分、密度、结构与成因开展综合的探测和研究，包括火星大气的起源、成分演化历史，以及大气的质量和动力学，也有必要开展类地行星大气层的形成与演化的比较研究。

4．了解火星固有磁场的演变

探测研究结果表明，目前火星的固有磁场比地球固有磁场弱得多，但在火星表面局部地区观测到了很强的剩余磁场。这说明火星在远古时代有很强的固有磁场，经过长期演变，火星的固有磁场已经变得很小。火星的固有磁场使得火星大气与太阳风相互作用的结果发生改变。这无疑对火星大气演化、对火星上水的消失过程都有重要作用。除了火星磁场外，还需对火星重力场、电学和波速特征以及火星内部结构的精确推演进行研究。

5．掌握火星的地貌和地质特征

通常对火星的表面进行直接成像来研究火星的地貌。研究结果表明，火星表面分布着大峡谷和高山，高差12～14km，有水流过的痕迹。初步探测资料分析表明，火星表面大部分地区覆盖着土壤。火星岩石元素成分中，氧元素含量最高，其次是硅，然后依次为铁、镁、钙和硫。探测火星的岩石成分，除了对研究火星表面水的消失过程、火星本体磁场的长期变化以及火星大气和气候的长期演化过程具有重要意义外，还对于研究火星的形成过程、火星地质及表面成分的长期演变过程以及岩石的结构构造、化学组成以及成因，特别对是否存在沉积岩，火星表面岩石的形成年龄与地壳的演化、岩石和空气的相互作用、岩石和水的相互作用过程，火星地貌的长期变化，都具有重要的科学意义。

6．开展对火星进行适宜人类居住改造的探索研究

火星是地球的“孪生姐妹”，两者有许多相似之处。例如，地球上的一天是23小时56分钟，火星上的一天是24小时37分钟，两者有几乎相同的昼夜长短；地球公转的轨道面和赤道面的夹角是23°27′，火星轨道面和赤道面的夹角是25°11′，二者有几乎相同的季节变化。这些相似性都表明，火星是适宜人类居住改造的最好候选行星。但火星不利于人类生存的条件也非常明显：一是火星比地球寒冷得多，其平均温度为-40～-60℃；二是火星表面比地球表面具有较强的宇宙高能粒子辐射；三是火星引力只有地球的38%；四是火星大气压力仅为地球的1%。

载人登陆火星将是21世纪最宏伟、最复杂的航天工程，也是未来30年世界航天大国实施载人航天技术的最高愿景，因此成为当前航天科学技术领域发展的关注焦点。美国在犹他州的沙漠试验场开展的火星改造探索研究工作，目的就是期望能够通过国际合作，实施火星登陆、火星改造和火星利用，在未来几个世纪内将火星改造成一个适宜人类生存和发展的绿色星球，将火星作为人类移民地外星球的试验场。此外，一旦地球环境变得不再宜居，或者遭遇6500万年前恐龙的灭顶之灾，在这种情况下，火星将成为保留人种及人类文明的避难圣地。

然而改造火星必将面临一系列复杂的科学技术难题，如提高火星表面温度；增加火星大气浓度，改变大气组分；建立火星表面生态环境；建立火星农牧业，解决粮副食品自给；建设能源和原材料工业设施；建设人类生活基础设施。一旦把火星环境改造到人类可以耐受的程度内，火星基础设施建设、原位资源利用技术成熟后，就可以考虑大规模的火星旅游或者移民。

3.4 太阳系天体探测的科学载荷

对太阳系中天体的探测主要是靠探测器上搭载的有效载荷。一类为电磁波成像观测，用于高分辨率成像，主要针对行星的地形地貌、天体表面物理性质和化学成分等进行观测；另一类为粒子探测，深空探测对低能离子和中性原子关注比较多；还有一些针对磁场、电场、重力场和声波的探测，磁场多用于对天体的磁场、磁层分布的研究，电场多用来作为行星大气中等离子体的探测载体，重力场探测多借助多普勒重力场试验仪器等，声波探测可以用类似雷达发射接收延迟的方法，探测天体地下的构造特征。太阳系天体（除太阳外）探测的基本方法如表3-3所示。

3.4.1 常用的科学载荷

1．成像探测仪器

环绕天体的探测器多用于探测天体地表的地形地貌，多进行成像观测、多波段观测、立体成像观测或成像光谱。成像光谱仪在获取图像的同时，还能得到光谱信息。这种高分辨率的成像可以直接揭示天体的大气特征、表面地质构造、表面性质和成分随空间的分布变化。激光高度计在可见光波段工作，通过测量发射激光的反射信号，记录两者之间的延迟情况，得到地形高度等信息，还可以构造出三维的地形分布。利用类似的原理，人们还制造了雷达和声波探测装置。雷达装置采用射电波，用于测量地形高度和粗糙程度以及土壤的某些物理性质。

2．环境探测仪器和土壤及矿物分析仪器

近距离的观测可以详细记录天体上的环境条件和地质条件。能量最高的电磁波——γ射线的探测主要分为两类：一类相当于光度测量，叫做辐射密度测量，一般用来探测天体表面的反射γ射线，得到天体表面密度等信息；另一类相当于光谱测量，叫做γ射线谱测量，得到γ射线谱，可以计算出钾、铀、钍元素的丰度，这对于行星形成的历史研究大有益处。X射线的波长比 γ 射线长，能量相对较低，但X射线有一种特殊的性质：当岩石受到X射线照射后，会吸收X射线的能量，然后再以其他波段的电磁波辐射出去，这种效应叫做荧光效应。因此，通过测量X射线波段的光谱，就可以知道究竟是什么物体在发荧光，也就可以知道行星表面的成分。

3．低能离子能谱仪和低能离子质谱仪

深空探测和地基观测最大的不同是：它可以通过探测粒子来获得地质数据。例如阿尔法粒子探测器用来测量氡气的含量，从而测定出铀等放射性元素的含量。另外，还有中子谱仪、等离子体成像仪、带电粒子光谱仪、等离子体分析仪、高能粒子与等离子体谱仪等仪器，这些都是针对不同类型粒子而设计的探测器。低能离子能谱仪可以测量空间中能量在几电子伏至几万电子伏离子的分布，并具有很宽的动态范围及较高的角分辨率。如果在低能离子能谱仪多通道板后面加上飞行时间测量系统，还可以具有分辨粒子成分的能力，这时低能离子能谱仪就成为低能离子质谱仪。

4．中性原子探测器

中性原子探测技术一般有三种：第一种是直接探测没有电离的中性原子，第二种是利用超薄碳膜将中性原子电离后进行探测，第三种是通过表面转换使中性原子带电后进行探测。在美国深空探测器上，考虑不同能量段的中性原子具有不同特性，同时考虑避免紫外光子或极紫外光子的影响，可对低能中性原子、中能中性原子和高能中性原子分别进行探测。

5．磁场探测器

对行星际空间和行星空间磁场的探测主要是利用磁通门磁强计和感应式磁力仪。其中，磁通门磁强计用于测量静态的直流磁场，主要测量弱磁场；感应式磁力仪用于测量动态的交流磁场，主要测量几赫兹至几万赫兹频率范围的磁场扰动信号。

6．电场探测器

测量等离子体介质中的空间电场主要有两种方法：第一种是双探针法，即直接测量空间两点间的电位差，由此求出沿探针连线方向的电场；第二种是测量空间电子束的运动，空间电子束运动的变化与电场和磁场有关，如果已经测得了磁场，就可以推断出电场。

3.4.2 嫦娥月球探测器的有效载荷

嫦娥月球探测工程推动了中国行星科学领域探测有效载荷的快速发展。

1. “嫦娥一号”和“嫦娥二号”探测器

中国“嫦娥一号”月球探测器首次实现了对月球的探测活动，它的科学目标包括：获取月球表面三维立体影像，分析月球表面元素含量和物质类型的分布特点，探测月壤特性，探测地月空间环境等。“嫦娥一号”探测器共配置了8种科学探测有效载荷。其中CCD立体相机和激光高度计共同完成了月球表面三维影像获取，干涉成像光谱仪、γ射线谱仪和X射线谱仪完成了元素及物质类型的含量和分布探测，微波探测仪完成了月壤厚度探测，高能粒子探测器和太阳风离子探测器完成了地月空间环境探测。

“嫦娥二号”的科学目标和有效载荷配置类似于“嫦娥一号”，如表3-4所示。“嫦娥二号”的CCD相机分辨率从120m/200km大幅度提高到了7m/100km及1.05m/15km，绘制了全月球7m分辨率影像图和“嫦娥三号”预选着陆区虹湾的1m分辨率高清图像，为后续实施“嫦娥三号”和“嫦娥四号”任务奠定了基础。

2. “嫦娥三号”和“嫦娥四号”探测器

“嫦娥三号”首次实现了中国月球软着陆和月面巡视探测，有三个主要的科学探测任务：月表形貌与地质构造调查，着陆区与巡视区的矿物组成与化学成分的综合就位分析，日地月空间环境探测与月基天文观测。“嫦娥三号”探测器由着陆器和巡视器组成。着陆器配置了地形地貌相机、月基光学望远镜、极紫外相机和降落相机4种有效载荷。巡视器配置了全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪和粒子激发X射线谱仪4种有效载荷。“嫦娥三号”探测器的有效载荷配置如表3-5所示。

“嫦娥三号”任务不同于“嫦娥一号”及“嫦娥二号”任务，其采用着陆探测和巡视探测，有效载荷要求更加轻小型化，此外红外光谱仪、测月雷达、极紫外相机、月基光学望远镜等都是全新设计的。首次使用了声光可调滤光器，实现光谱探测、时间域探测雷达探测月壤厚度、基于单球面反射和球面光子计数成像探测器的地球等离子体层观测，以及极紫外波段的月基自主天文观测等。

“嫦娥四号”探测器由中继星、着陆器和巡视器组成，着陆于月球背面艾特肯盆地，通过中继星的通信支持，开展对月球背面着陆巡视区的就位探测和巡视勘测。“嫦娥四号”的科学目标为：月基低频射电天文观测研究、月球背面巡视区浅层结构探测研究、月球背面巡视区形貌与矿物组分探测研究。

“嫦娥四号”探测器共配置8台有效载荷设备来完成这三项科学目标：着陆器上配置4台设备，分别是降落相机、地形地貌相机、低频射电谱仪和中子与辐射剂量探测仪；巡视器上配置4台设备，分别是全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪和中性原子探测仪，详见表3-6。

3．玉兔一号”和“玉兔二号”月球车

2013年，“嫦娥三号”探测器和“玉兔一号”月球车着陆在月球正面的雨海宽阔的平原地带，这里形成一种独特的火山玄武岩石。“玉兔一号”月球车在穿过雨海的紫微撞击坑附近时进行了采样，通过勘测，发现月球表面一种玄武岩样本非常特殊，与此前美国Apollo载人登月工程发现的样本很不一样。通过对该地点的测量分析发现这里形成于近期，可能是月球表面“最年轻”的区域。虽然月球表面多数区域被认为形成于30亿～40亿年前的火山喷发过程，但“玉兔一号”月球车发现的独特玄武岩样本形成于29.6亿年前。该岩石样本包含着独特的矿质混合物，具有较高的二氧化钛含量，同时还有一种叫做橄榄石的绿色矿物质。科学家们认为这种多样性岩石样本说明，上月幔成分均质性低于地球，同时关联化学成分年代，这有助于研究随着时间变迁，来解释月球火山活动是如何发生变化的。

2019年，中国科学院国家天文台团队利用“玉兔二号”携带的可见光和近红外光谱仪的探测数据，证明了“嫦娥四号”落区月壤中存在以橄榄石和低钙辉石为主的月球深部物质。“玉兔二号”月球车携带的可见光和近红外光谱仪在两个探测点获得了质量良好的光谱数据。通过初步分析发现，“嫦娥四号”着陆区的月壤成分明显不同于“嫦娥三号”着陆区的月海玄武岩，这一区域月壤中橄榄石含量最高，低钙辉石次之，并含有很少量的高钙辉石。科学界关于月幔物质组成的推论一直没有被很好地证实。中国科学院的科研人员认为，“玉兔二号”巡视器探测到的这些物质是从冯·卡门撞击坑东北部的一个直径为72km的芬森撞击坑溅射出的。他们认为南极-艾特肯盆地在形成后，继续遭到小天体撞击形成更多的小撞击坑。而当芬森撞击坑形成时，有可能撞穿了月壳，将月幔物质挖掘出来并抛射到了冯·卡门撞击坑。

当前无论是美国、苏联采回的月球样品，还是环月探测器的遥感数据，都还没有发现与月幔准确物质组成相关的直接证据。这是中国嫦娥月球探测工程对月球科学研究做出的重要贡献。

3.4.3 载人空间站的有效载荷

在天空实验室、“礼炮号”空间站、“和平号”空间站、空间实验室及国际空间站等载人实验室或空间站项目中均携带了空间天文载荷，在伽玛射线、X射线、紫外、可见光和红外等各波段获取了大量数据和影像，取得了技术突破和开创性成果。21世纪，国际空间站大规模组合体长期在轨运行，也成为高能天体物理探测的理想场所，开展了阿尔法磁谱仪、X射线和伽玛射线、紫外等多个探测项目。

美国的天空实验室（Skylab）携带了阿波罗观测台（Apollo Telescope Mount, ATM），包括：白光日冕仪（White Light Coronograph, WLC）、X射线光谱望远镜（X-Ray Spectrographic Telescope, XRST）、紫外光谱仪（Ultraviolet Spectrometer, UVS）、双能X射线望远镜（Dual X-Ray Telescope, DXRT）、紫外光谱仪/日光仪（Ultraviolet Spectrometer/Heliograph, UVH）等。天空实验室进行了一系列的空间天文科学试验，开启了空间X射线天文观测的新阶段。其X射线望远镜采用胶片记录，由航天员带回地面，进行地面处理。

国际空间站（International Space Station, ISS）是迄今为止最大的载人空间设施，从1998年开始，经13年多次组装完成，总计达400余吨，初建至今已在轨运行17年。ISS在近地轨道长期稳定运行，搭载了以阿尔法磁谱仪为代表的多项科学载荷，用于长期测量宇宙线，寻找反物质和暗物质。日本“希望号”实验舱安装了多个高能天文探测装置，如全天X射线检测仪（Monitoring All Sky X-Ray Images, MAXI），在4年时间里从22个活跃恒星观测了64个较大闪耀现象，4.5年里发现了6个新黑洞。欧洲建造的哥伦布舱安装的科学载荷有太阳变化与辐射检测仪（SOlar Variability and Irradiance Monitor, SOVIM）、太阳光谱辐射测量仪（SOLar SPECtral irradiancemeasurement, SOLSPEC）、自动校准极紫外与紫外光谱仪（SOLar Auto- Calibrationg Extreme Ultraviolet and Ultraviolet Specrtometers, SOLA-CES）。俄罗斯建造的“星辰号”服务舱安装的科学载荷，能够探测银河系宇宙线元素组成与精细能谱、太阳宇宙线粒子，检测空间站附近的微粒子，寻找低能重粒子的太阳和银河系起源等。

基于ISS长期在近地轨道运行的优势，天文学家还提出了多种载荷构想和方案，如表3-7所示，有些已经发射，有些正在研制，计划后续安装在空间站上执行科学探测任务。

在美国推动实施Artemis任务后，关于如何建造地月空间站及能够开展哪些科学研究项目，目前正处于全球国际合作征求项目阶段。可以预计，充分利用好这个平台将对未来行星科学及天文学的发展产生重要的推动作用。

思考题

1．美国成功实施的Apollo登月工程对月球科学研究有哪些贡献？

2．美国在提出的以重返月球为目标的“星座计划”中，论证的载人月球探测任务的科学目标是什么？

3．太阳系内的小行星是如何分布的？小行星通常可以分成哪几类？

4．小行星探测的科学目标通常包括哪些内容？

5．火星探测的科学目标通常包括哪些内容？

6．太阳系天体探测常用的科学载荷有哪些？

7．嫦娥月球探测器上携带有哪几类科学载荷？实现了哪些科学目标？

8．载人空间站的有效载荷有哪些？未来的载人深空空间站的科学目标有哪些？

参考文献

［1］焦维新，邹鸿．行星科学［M］．北京：北京大学出版社，2009.

［2］胡中为．普通天文学［M］．南京：南京大学出版社，2003.

［3］果琳丽，王平，朱恩涌，等．载人月球基地工程［M］．北京：中国宇航出版社，2013.

［4］欧阳自远，邹永廖，李春来．月球——人类走向深空的前哨站［M］．北京：清华大学出版社，2002.

［5］中国科学院月球与深空探测总体部．月球与深空探测［M］．广州：广东科技出版社，2014.

［6］［美］Nadine G. Barlow．火星关于其内部、表面和大气的引论［M］．吴季，赵华，等，译．北京：科学出版社，2010.

［7］ ［美］阿尔瑟·M·杜勒．外空矿物资源——挑战与机遇的全球评估［M］．张振军，译．北京：中国宇航出版社，2017.

［8］侯建文，阳光，周杰，等．深空探测——火星探测［M］．北京：国防工业出版社，2016.

［9］侯建文，阳光，满超，等．深空探测——月球探测［M］．北京：国防工业出版社，2016.

［10］［美］唐纳德·拉普．面向载人月球及火星探测任务的原位资源利用技术［M］．果琳丽，郭世亮，张志贤，等，译．北京：中国宇航出版社，2018.

［11］姜景山，金亚秋．中国微波探月研究［M］．北京：科学出版社，2011.

［12］欧阳自远，邹永廖．火星科学概论［M］．上海：上海科技教育出版社，2015.

［13］中国科学院地球化学研究所．月质学研究进展［M］．北京：科学出版社，1977.

［14］陈善广．载人航天技术［M］．北京：中国宇航出版社，2018.

［15］徐波，雷汉伦．探测小天体［M］．北京：科学出版社，2018.

［16］［英］大卫· M ·哈兰德．月球简史［M］．车晓玲，刘佳，译．北京：人民邮电出版社，2018.

［17］孙泽洲，叶培建，张洪太，等．深空探测技术［M］．北京：北京理工出版社，2018.

［18］廖新浩．行星科学和深空探测研究与发展［J］．中国科学院院刊，2011, 26（5）: 504-509.

［19］肖龙，GREELEY Ronald，曾佐勋，等．比较行星地质学的研究方法、现状和展望［J］．地质科技情报，2008, 27（3）: 1-13.

［20］郑永春，欧阳自远．太阳系探测的发展趋势与科学问题分析［J］．深空探测学报，2014, 1（2）: 83-92.

［21］欧阳自远．太阳系探测的进展与比较行星学的主要科学问题［J］．地学前缘（中国地质大学（北京）；北京大学）, 2006, 13（3）: 8-18.

［22］欧阳自远．我国月球探测的总体科学目标与发展战略［J］．地球科学进展，2004, 19（3）: 351-358.

［23］欧阳自远．月球探测进展与我国的探月行动（上）［J］．自然杂志，2005, 27（4）: 187-190.

［24］欧阳自远．月球探测进展与我国的探月行动（下）［J］．自然杂志，2005, 27（5）: 253-257.

［25］欧阳自远，李春来，邹永廖，等．我国月球探测一期工程的科学目标［C］．中国宇航学会飞行器总体专业委员会2004年学术研讨会，2005:1-5.

［26］欧阳自远，李春来，邹永廖，等．我国月球探测二期工程的科学目标［C］．中国宇航学会深空探测技术专业委员会第一届学术会议，2005:417-424.

［27］欧阳自远，邹永廖．月球的地质特征和矿产自远及我国月球探测的科学目标［J］．国土资源情报，2004（1）: 36-39.

［28］郑永春，王世杰，刘春茹，等．月球水冰探测及其进展［J］．地学前缘，2004, 11（2）: 573-578.

［29］郑永春，邹永廖，付晓辉，等．月亮女神探月计划的有效载荷与科学探测综述［J］．航天器工程，2011（3）: 108-119.

［30］刘剑，欧阳自远，李春来，等．中红外光谱在月球探测中的应用［J］.矿物学报，2006,26（3）: 435-440.

［31］邓连印．月球探测技术的历程及发展态势研究［D］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

［32］孔维刚．月球及火星科学中的三个矿物学问题［D］．济南：山东大学，2011.

［33］郑永春，邹永廖，张锋，等．月球上的水：探测历程与新的证据［J］.地质学报，2011, 85（7）: 1069-1078.

［34］郑永春，邹永廖，付晓辉．LRO和LCROSS探月计划：科学探测的分析与启示［J］．航天器工程，2011, 20（4）: 117-129.

［35］邓湘金，贾阳．月球详查探测的载荷配置分析［J］．航天器工程，2007, 16（6）: 77-81.

［36］吴季，朱光武，赵华，等．中俄联合探测火星计划萤火一号科学目标综述［C］．第二十二届全国空间探测学术讨论会论文，2009: 1-10.

［37］吴季，朱光武，赵华，等．萤火一号火星探测计划的科学目标［J］．空间科学学报，2009,29（5）: 449-455.

［38］侯建文，赵晨，常立平，等．未来月球探测总体构想［J］．载人航天，2015, 21（5）: 425-434.

［39］林杨挺．月球形成和演化的关键科学问题［J］．地球化学，2010, 39（1）: 1-10.

［40］安恒，杨生胜，薛玉雄，等．国外月球探测有效载荷进展状况［J］．真空与低温，2012,18（4）: 194-200.

［41］欧阳自远，李春来，邹永廖，等．嫦娥一号卫星的科学探测［C］．中国空间科学学会第七次学术年会，2009.

［42］赵葆常，杨建峰，常凌颖，等．嫦娥一号卫星成像光谱仪光学系统设计与在轨评估［J］．光子学报，2009,38（3）: 479-483.

［43］王建宇，舒嵘，陈卫标，等．嫦娥一号卫星载激光高度计［J］．中国科学：物理学力学天文学，2010,40（8）: 1063-1070.

［44］孙辉先，吴季，张晓辉，等．嫦娥二号卫星科学目标和有效载荷简介［C］．第二十三届全国空间探测学术交流会论文，2010.

［45］贾瑛卓，代树武，吴季，等．嫦娥三号着陆器有效载荷［J］．空间科学学报，2014,34（2）: 219-225.

［46］代树武，吴季，孙辉先，等．嫦娥三号巡视器有效载荷［J］．空间科学学报，2014,4（3）: 332-340.

［47］贾瑛卓，邹永廖，薛长斌，等．嫦娥四号任务科学目标和有效载荷配置［J］．空间科学学报，2018,38（1）: 118-130.

［48］赵海斌，徐伟彪，马月华，等．小行星深空探测的科学目标与探测计划［C］．中国宇航学会深空探测技术专业委员会第一届学术会议，2005:473-479.

［49］徐伟彪，赵海斌．小行星深空探测的科学意义和展望［J］．地球科学进展，2005, 20（11）: 1183-1190.

［50］李伟，孙越强，朱光武，等．俄罗斯福布斯探测器有效载荷介绍［J］.上海航天，2013, 30（4）: 43-44.

［51］欧阳自远，肖福根．火星探测的主要科学问题［J］．航天器工程，2011, 28（3）: 205-217.

［52］欧阳自远，肖福根．火星及其环境［J］．航天器环境工程，2012, 29（6）: 591-601.

［53］刘建忠，欧阳自远，李春来，等．火星探测的科学目标及优先原则初探［C］. 2006年中国科协年会，2006.

［54］袁子，王慧，王立，等．火星探测有效载荷概述［C］．中国宇航学会深空探测技术专业委员会第七届学术年会论文集，2015: 643-649.

［55］张宇烽，王红杰，朱永红，等．火星相机研制［J］．红外与激光工程，2016,45（2）: 1-7.

［56］朱岩，白云飞，王连国，等．中国首次火星探测工程有效载荷总体设计［J］．深空探测学报，2017, 4（6）: 510-514.

［57］赵佳，李欢，钟晓明．火星大气探测载荷现状与展望［C］．中国空间科学学会空间探测专业委员会第二十六届全国空间探测学术研讨会，2013.

［58］缪秉魁，林杨挺，陈宏毅．小行星探测研究现状与展望［C］．中国矿物岩石地球化学学会第14届学术年会，2013: 617-618.

［59］徐伟彪，赵海斌．小行星深空探测的科学意义和展望［J］．地球科学进展，2005,20（11）: 1183-1190.

［60］季江徽．开展小行星彗星及深空探测的科学意义及启示［J］．国防科技工业，2011（4）: 54-55.

［61］孙辉先，李慧军，张宝明．中国月球与深空探测有效载荷技术的成就与展望［J］．深空探测学报，2017,4（6）: 495-509.

［62］王建宇，何志平，徐睿．基于AOTF成像光谱技术在深空探测中的应用［C］. 2013年上海遥感与社会发展国际学术研讨会，2013.

［63］杨建峰，阮萍．轻小型化全景相机［C］．第八届全国空间化学与陨石学学术研讨会，2006.

［64］会庭．日本“辉夜姬”月球探测器的有效载荷［J］．中国航天，2007（10）: 28-33.

［65］王馨悦，孙越强，李永平，等．质谱仪在行星系统与小天体探测中的应用［J］．深空探测学报，2017, 4（6）: 522-527.

［66］周志权，吕浩，张栋，等．质谱仪在深空探测中的应用［J］．质谱学报，2015, 36（6）: 492-505.

［67］张九星，张伟，李绪志．载人航天空间天文领域发展综述［J］．载人航天，2017, 23（5）: 670-679.

［68］Andolz F J. Lunar Prospector Mission Handbook［M］. Ames Research Center, 1998.

［69］Ouyang Z Y. Introduction of Lunar Science［M］. Beijing: China Astronautic Publishing House,2005.

［70］Pyle R. Destination Mars, New Exploration of the Red Planet［M］. Prometheus Books, 2011.

［71］Hubbard S. Exploring Mars, Chronicles from a Decade of Discovery［M］. The University of Arizona Press, 2011.

［72］Harland D M. The Earth in Context: A Guide to the Solar System［M］. Chichester: Springer, 2011.

［73］Grego P. What are Comets and Asteroids［M］. Heidelberg: Springer International Publishing, 2014.

［74］Vondrak R, Keller J, Chin G. Lunar reconnaissance orbiter（LRO）: observations for lunar exploration and science［J］. Space Sci Rev, 2010（150）:7-22.

［75］Keller J. LRO instrument suite and measurements［C］. AIAA Annual Technical Symposium（ATS）, 2006.

［76］Vondrak R, Keller J, Chin G, et al. Lunar reconnaissance orbiter（LRO）：observations for lunar exploration and science［J］. Space Science Reviews, 2010,150: 7-22.

［77］Kato M, Sasaki S, Tanaka K, et al. The Japanese lunar mission SELENE: science goals and present status［J］. Advances in Space Research, 2008（42）: 294-300.

［78］Goswami J N, Annadurai M. Chandrayaan-1: India's first planetary science mission to the Moon［J］. Curr. Sci. , 96（4）: 486-491.

［79］Goswami J N, Thyagarajan K, Annadurai M. Chandrayaan-1: India mission to Moon［J］. Lunar and Planetary Science,2006: 1567-1577.

［80］NASA. Science summary［EB/OL］. 2006-03-22［2006-04-01］. http://mars.jpl.nasa.gov/mro/science/.

［81］NASA. Overview summary［EB/OL］. 2006-03-22［2006-04-01］. http://mars.jpl.nasa.gov/mro/overview/.

［82］NASA. Spacecraft parts: instruments［EB/OL］. 2006-03-22［2006-04-01］. http://mars.jpl.nasa.gov/mro/sc instru hirise.html/.

［83］NASA. Spacecraft & Instruments［EB/OL］. 2006-03-22［2006-04-01］. http://lunar.gsfc.nasa.gov/missions/scandinst.html/.

［84］NASA. Spacecraft & Instruments: LOLA［EB/OL］. 2006-03-22［2006-04-01］. http://lunar.gsfc.nasa.gov/missions/lola.html/.

［85］Mailin Space Science System. Lunar reconnaissance obiter（LRO）Lunar reconnaissance orbiter camera（LROC）［EB/OL］. 2006-03-22［2006-04-01］. http://www.msss, com/lro/lroc/index.html.

［86］Zellner B. Polarimetric albedos of asteroids［J］. Bulletin of the American Astronomical Society, 1973, 5: 388.

［87］Bus S J, Binzel R P. Phase II of the small main-belt asteroid spectroscopic survey: A feature-based taxonomy［J］. Icarus,2002, 158: 146-177.

［88］Zuber M T, David E S, Andrew F C, et al.The shape of 433 Eros from the NEAR-Shoemaker Laser rangefinder［J］.Science,2000,289: 2097-2101.［89］Meibom A, Clark B E.Evidence for the insignificance of ordinary chondritic material in the asteroid belt［J］.Meteoritics& Planetary Science,1999,34:7-24.

［90］Clayton D D, Nittler L R. Astrophysics with presolar stardust［J］. Annual Review of Astronomy and Astrophysics,2004,42: 39-78.

［91］Russell C T, Coradini A, De Sanctis M C, et al, Dawn mission: a journey in space and time［C］. Lunar and Planetary Science Conference, 2003, XXXIV: 1473.

［92］Russell C T. A journey to the beginning of the solar system［C］. Proceedings of Asteroids, Comets, Meteors, 2002: 63-66.

［93］Sears D W G.The HERA mission: sample return from three Near-Earth asteroids［C］.34 th COSPAR Scientific Assembly, The Second World Space Congress,2002.

［94］Kawaguchi J, Kuninaka H, Fujiwara A. Muses-C, its launch and earth orbit operations［C］. Proceedings of the Fifth IAA International Conference on Low-Cost Planetary Missions,2003.

［95］Nagy A F. The plasma environment of Mars［J］. Space Sci. Rev, 2004, 111: 33-114.

［96］Cheng A F, Atchison J, Kantsiper B, et al. Asteroid impact and deflection assessment mission［J］. Acta Astronautica,2015, 115（19）: 262-269.

［97］Michel P, Cheng A, küppers M, et al. Science case for the asteroid impact mission（AIM）: A component of the Asteroid Impact & Deflection Assessment（AIDA）mission［J］. Advances in Space Research,2016,57（12）: 2529-2547.

［98］Cheng A F, Michel P. Asteroid impact and deflection assessment: the double asteroid redirection test（DART）［C］. Lunar and planetary Science Conference,2016.

［99］Abell P A, Rivkin A S. The asteroid impact and deflection assessment mission and its potential contributions to human exploration of asteroids［J］. Mineralogy & Petrology,2014, 55（1-3）: 53-69.

［100］Mazanek D D, Merrill R G, Belbin S P, et al.Asteroid redirect robotic mission: robotic boulder capture option overview［C］.AIAA Space 2014 Conference and Exposition,2014: 4432.

［101］Belbin S P, Merrill R G.Boulder capture system design options for the asteroid robotc redirect mission alternate approach trade study［C］.AIAA Space 2014 Conference and Exposition,2014: 4434.

［102］Reeves D M, Naasz B J, Wright C A, et al.Prosimity operations for the robotic boulder capture option for the asteroid redirect mission［C］.AIAA Space 2014 Conference and Exposition,2014: 4433.

［103］Acuna M H, Connerney J E P, Wasilewski P J, et al. Magnetic field and plasma observations at Mars: initial results of the Mars global surveyor mission ［J］. Science,1998,279: 676-1670.

［104］Wong M, Kangas J A, Ballard C G, et al.Mars science laboratory propulsive maneuver design and execution［C］.23 rd International Symposium on Space Flight Dynamics,2012.

［105］Gendrin A, Mangold N, Bibring J P, et al. Sulfate in Martian layered terrains: the OMEGA/Mars Express view［J］. Science,2005,307（5717）:1587-1591.

［106］Bibring J P, Langevin Y, Gendrin A, et al. Mars surface diversity as revealed by the OMEGA/Mars Express observations［J］. Science, 2005, 307（5715）: 1576-1581.

［107］Veverka J, Burns J A. The moons of Mars［J］. Annual Review of Earth Planer Science,1980, 8: 527-558.

［108］Mahaffy P R, Benna A M, King T, et. al. The neutral gas and ion mass spectrometer on the Mas atmosphere and volatile evolution mission［J］. Space Science Reviews,2015（195）: 49-73.

［109］Paul R M, Richard R H, Benna M, et al. The neutral mass spectrometer on the lunar atmosphere and dust environment explorer mission［J］. Space Science Reviews,2014（185）: 27-61.

［110］Nieman H, Atreya S, Bauer S J, et al. The gas chromatograph mass spectrometer aboard Huygens［C］. Huygens: Science, Payload and Mission, Proceedings of an ESA Conference,1997,1177: 85-108.

［111］Lawson S L, Jakosky B M. Luar surface thermophysical properties derived from Clementine LWIR and UVVIS images［J］. Journal Geophysical Research,2001, 106（11）: 27911-27932.

［112］Neefs E, Vandaele A C, Drummond R, et al. NOMAD spectrometer on the ExoMars trace gas orbiter mission: Part1-design, manufacturing and testing of the infrared channels［J］. Applied Optics,2015,54（28）: 8494-8520.

［113］Gendrin A, Mangold N, Bibring J P, et al. Sulfate in Martian layered terrains: The OMEGA/Mars Express view［J］. Science,2005,307（5717）:1587-1591.

［114］Bibring J P, Langevin Y, Gendrin A, et al. Mars surface diversity as revealed by the OMEGA/Mars Express observations［J］. Science, 2005, 307（5715）: 1576-1581.

［115］Thuillier G, Foujols T, Bolsée D, et al. SOLAR/SOLSPEC: Scientific objectives, instrument performance and its absolute calibration using a blackbody as primary standard source［J］. Solar Phys. ,2009,257:185-213.

［116］Thuillier G, Harder J W, Shapiro A, et al. The infrared solar spectrum measured by the SOLSPEC spectrometer on board the international space station ［J］. Solar Phys. ,2015,290:1581-1600.

［117］Park J M.Status of the top and bottom counting detectors for the ISS-CREAM experiment［C］.17 th International Conference on Calorimetry in Particle Physics,2017.

［118］Scotti V, Osteria G. The JEM-EVSO time synchronization system［J］. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2013, 718:248-250.

［119］Kotov Y D, Yurov V N, Trofimov Y A, ea al. Solar gamma-ray spectrometer GRIS onboard the International Space Station［J］. Advances in Space Research,2015,56:1797-1804.