嫦娥四号任务科学目标和有效载荷配置

嫦娥四号探测器由中继星、着陆器和巡视器组成.其科学目标为: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以及月球背面巡视区形貌与矿物组分探测研究.共配置6台有效载荷设备,其中3台载荷设备配置在着陆器上,分别为降落相机、地形地貌相机和低频射电谱仪,其余3台配置在巡视器上,分别为全景相机、测月雷达和红外成像光谱仪.本文主要论述了嫦娥四号任务的科学目标、着陆区概况、有效载荷配置及系统设计、各有效载荷任务和主要技术指标等.      

嫦娥三号着陆器有效载荷

嫦娥三号着陆器配置了地形地貌相机、月基光学望远镜、极紫外相机、降落相机等四种科学探测有效载荷.介绍了有效载荷的科学探测任务、系统设计方案和系统组成,描述了各有效载荷的方案设计和主要技术指标等.      

“嫦娥4号”月球背面软着陆任务设计

介绍了"嫦娥4号"月球背面软着陆任务设计方案。着陆区初步选定为月球背面南极–艾特肯(South PoleAitken,SPA)盆地内的冯·卡门(Von Kármán)撞击坑内。采用中继星实现着陆器和巡视器的对地通信,并选择环绕地月拉格朗日L2点的halo轨道作为其使命轨道。采用CZ-4C火箭和CZ-3B火箭,分别完成中继星和着陆器–巡视器组合体的发射。两器一星上共配置了6台国内研制科学载荷和3台国际合作科学载荷,开展以低频射电天文观测、巡视区形貌、矿物组份及浅层结构为主的科学探测。此外,还搭载了2颗月球轨道编队飞行微卫星、月面微型生态圈和大孔径激光角反射镜,分别开展超长波天文干涉测量试验、月面生态系统试验和超过地月距离的激光测距试验。通过创新设计顶层任务,充分继承成熟技术和产品,增加中继通信功能模块,开放资源引入高性能载荷和搭载项目,将实现一次低成本、短周期、大开放、高效益的月球探测任务。     

嫦娥三号巡视器有效载荷

嫦娥三号巡视器配置了全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪、粒子激发X射线谱仪四种科学探测有效载荷. 介绍了有效载荷的科学探测任务、系统设计方案和系统组成,描述了各有效载荷的方案设计要点,设计中的主要关注点及主要技术指标等.      

Preliminary Scientific Results of Chang'E-1 Lunar Orbiter: Based on Payloads Detection Data in the First Phase

Chang'E-1 lunar Orbiter was launched by Long March 3A rocket from Xichang Satel-lite Launch Center at 18:05BT(Beijing Time) Oct.24,2007.It is the first step of its ambitious three-stage moon program,a new milestone in the Chinese space exploration history.The primary science objectives of Chang'E-1 lunar orbiter are to obtain three-Dimension(3D) stereo images of the lunar surface,to analyze the distribution and abundance of elements on the surface,to investigate the thickness of lunar soil,evaluate helium-3 resources and other characteristics,and to detect the space environment around the moon.To achieve the above four mission objectives,eight sets of scientific instruments are chosen as the payloads of the lunar orbiter,including a CCD stereo camera(CCD),a Sagnac-based interferometer spectrometer(ⅡM),a Laser Altimeter(LAM),a Microwave Radiometer(MRM),a Gamma-Ray Spectrometer(GRS),an X-ray spectrometer(XRS),a High-Energy Particle Detector(HPD),and two Solar Wind Ion Detectors(SWID).The detected data of the payloads show that all payloads work well.This paper introduces the status of payloads in the first phase and preliminary scientific results.     

嫦娥三号着陆区月表辐射特性测算

月球表面辐射特性研究是月球探索的一个重要领域,对于勘测月球表面形态及进行资源勘探等具有重要意义,但是目前在月球表面直接进行近距离测量的数据非常少.本文建立了基于嫦娥三号着陆器地形地貌相机和缓释电机在轨遥测数据研究月球表面辐射特性的方法,初步测算得到嫦娥三号着陆区月球表面的太阳辐射光谱反射率为0.105,发射率为0.866.所得结果能够为进一步空间探测任务提供原始测算数据,以降低设计难度及提高探测能力.      

Progress in China's Lunar Exploration Program

Chang'E-1 and Chang'E-2 of China's Lunar Exploration Program (CLEP) have successfully achieved their mission. At the present time, only Chang'E-3 is still in operation, which was successfully launched on December 2, 2013. Chang'E-3 probe is the third robotic lunar mission of CLEP, which consists of a lander and a rover, with eight payloads on board the spacecraft. Up to December 21, 2015, more than 2.86TB raw data were received from these instruments onboard Chang'E-3 probe. A series of research results have been achieved. This paper gives a detailed introduction to the new scientific results obtained from Chang'E-3 missions.      

嫦娥四号着陆器月面工作遮挡应对方案研究

嫦娥四号着陆于月球背面南极 艾特肯盆地内，着陆区周围复杂地形导致测控和通信遮挡风险。针对这一问题，开展了着陆区的测控、光照遮挡分析，提出利用轨道控制策略的精细化设计来提高着陆点精度、优化月面工作程序和增加自主控制功能的设计方法,全方面降低嫦娥四号着陆器在月球背面着陆区的生存风险。该方法已通过嫦娥四号着陆器在轨验证，可以为其他深空探测任务提供参考和借鉴。     

基于多因子综合评估的月球探测软着陆区域及最佳巡航路线分析

选择合适的软着陆区域及规划合理的巡航路线是月球探测的基础工作。以位于月球背面南极—艾肯（South Pole-Aitken,SPA）盆地内的冯·卡门（Von Kármán）撞击坑作为研究区域,综合使用多因子分析评估了月球探测的着陆区域和巡航路线。评价体系主要包括能表征着陆安全性的撞击坑的密度、撞击坑的影响区域、整个区域的平整情况、部分区域的平整情况等因子和体现科学探索意义的区域垂直结构、岩石属性和（FeO+TiO₂）含量等因子,其中科学探索的评估分析是在安全可行性的基础上进行的。结果表明：在多因子叠加分析的基础上可选择出A、B及C 3个着陆区,并通过科学研究因子分析出路线2及路线3为合适的巡航路线。本研究为月球探测器着陆和巡航路线的规划提供了科学依据,为后续的月球探测工作提供了技术支持。     

Introduction to the Payloads and the Initial Observation Results of Chang＇E-1

Chang'E-1,the orbiter circling the moon 200km above the moon surface,is the first Chinese Lunar exploration satellite.The satellite was successfully launched on 24th October 2007.There are 8 kinds of scientific payloads onboard,including the stereo camera,the laser altimeter,the Sagnac-based interferometer image spectrometer,the Gamma ray spectrometer,the X-ray spectrom-eter,the microwave radiometer,the high energy particle detector,the solar wind plasma detector and a supporting payload data management system.Chang'E-1 opened her eyes to look at the moon and took the first batch of lunar pictures after her stereo camera was switched on in 20th November 2007.Henceforth all the instruments are successfully switched on one by one.After a period of parameter adjustment and initial check out,all scientific instruments are now in their normal operating phase.In this paper,the payloads and the initial observation results are introduced.     

Scientific Progress in China's Lunar Exploration Program

Chang'E-1, the first lunar mission in China, was successfully launched on October 24,2007, which opened the prelude of China's Lunar Exploration Program. Later on, the Chang'E-2 and Chang'E-3 satellites were successfully launched in 2010 and 2013, respectively. In order to achieve the science objectives, various payloads boarded the spacecraft. The scientific data from these instruments were received by Beijing and Kunming ground stations simultaneously. Up to now, about 5.628 Terabytes of raw data were received totally. A series of research results has been achieved. This paper presents a brief introduction to the main scientific results and latest progress from Chang'E-3 mission.     

极月轨道上太阳电池阵外热流规律分析

准确的月球表面温度分布模型对于开展月球探测具有重要意义. 目前有关月球表面温 度模型还缺乏对完整月球表面温度分布的计算方法研究. 本文建立了一套计算完整月球表面温度的方法, 其中月球阳面温度采用Racca模型直接计算得到; 对于月球阴面, 将其沿纬度方向划分为若干区域, 每个区域的地表土壤采用一维非稳态热传导模型, 根据嫦娥三号着陆器太阳电池阵在轨环月阶段的温度数据, 修正得到月球表面土壤导热系数、密度及比热容, 通过数值计算求解一维非稳态热传导方程, 得出任意时刻月球阴面表面温度随时间的变化. 嫦娥三号着陆器太阳电池阵环月阶段热分析结果与在轨温度符合较好, 初步说明本文建立的完整月球表面温度计算方法正确可行. 基于本文方法计算得到整个月球表面温度分布, 进一步研究了极月轨道太阳电池阵外热流变化规律.      

中国月球探测进展（2011-2020年）

回顾2011至2020年10年来中国月球探测的进展，重点介绍嫦娥三号和嫦娥四号任务工程实施情况以及取得的主要科学探测成果，展望中国月球和行星探测的未来发展.      

Chang'E-1 Lunar Mission:An Overview and Primary Science Results

Chang'E-1 is the first lunar mission in China, which was successfully launched on Oct. 24th, 2007. It was guided to crash on the Moon on March 1, 2009, at 52.36oE, 1.50oS, in the north of Mare Fecunditatis. The total mission lasted 495 days, exceeding the designed life-span about four months. 1.37 Terabytes raw data was received from Chang'E-1. It was then processed into 4 Terabytes science data at different levels. A series of science results have been achieved by analyzing and applicating these data, especially "global image of the Moon of China's first lunar exploration mission'. Four scientific goals of Chang'E-1 have been achieved. It provides abundant materials for the research of lunar sciences and cosmochemistry. Meanwhile these results will serve for China's future lunar missions.      

“嫦娥4号”月球背面着陆区月壳及深部结构特征

深部月壳和月幔物质结构是月球科学探测的关键问题之一。“嫦娥4号”初步将月球背面南极—艾肯（South Pole-Aitken,SPA）盆地内的冯·卡门（Von Kármán）撞击坑作为着陆点,具有重要的科学研究价值。结合月球重力、地形、布格重力、月壳厚度等地球物理数据,综合对冯·卡门撞击坑的月壳及其深部结构特征进行了分析。结果显示：冯·卡门撞击坑重复撞击到南部的冯·卡门M撞击坑上,后者的中央峰具有明显的布格正重力异常和线性的布格重力梯度特征,显示出高密度的幔部物质向上涌起;冯·卡门撞击坑极有可能穿透了该区域的整个月壳,并挖掘出了深部月幔的物质;该区域南部月壳厚度较薄小于5 km,北部平均月壳厚度在15～20 km,月壳平均密度为2 630 kg·m^-3,比背面高地月壳密度高,且平均孔隙度为9%,低于月球的平均孔隙度12%。     

China's Lunar and Deep Space Exploration Program for the Next Decade (2020-2030)

China has carried out four unmanned missions to the Moon since it launched Chang'E-1, the first lunar orbiter in 2007. With the implementation of the Chang'E-5 mission this year, the three phases of the lunar exploration program, namely orbiting, landing and returning, have been completed. In the plan of follow-up unmanned lunar exploration missions, it is planned to establish an experimental lunar research station at the lunar south pole by 2030 through the implementation of several missions, laying a foundation for the establishment of practical lunar research station in the future. China successfully launched its first Mars probe on 23 July 2020, followed in future by an asteroid mission, second Mars mission, and a mission to explore Jupiter and its moons.      

月球着陆器软着陆冲击仿真

为提高分析月球着陆器软着陆有效载荷着陆冲击响应的准确性,提出一种基于瞬态动力学的着陆器有效载荷软着陆冲击响应分析方法.根据着陆器全机结构柔性和月壤柔性对有效载荷着陆冲击响应的影响,参照某型着陆器,于MSC.PATRAN环境中建立着陆器全机柔性体模型及月壤柔性体模型,运用瞬态动力学仿真软件MSC.DYTRAN对着陆器软着陆有效载荷着陆冲击响应特性进行了仿真研究.仿真结果与试验结果具有一定的一致性.研究结果表明:使用该方法分析着陆器软着陆有效载荷的着陆冲击响应是准确有效的,能够比较逼真地模拟月球着陆器实际着陆工况.     

基于LOLA数据的冯·卡门地区地形特征分析

冯·卡门（Von Kármán）撞击坑位于南极—艾肯（South-Pole Aitken,SPA）盆地西北部,为“嫦娥4号”的预选着陆区。本文基于LRO卫星LOLA数据,分别采用最大平均值法、均方根高程法和盒维数法,得到并分析了冯·卡门地区的坡度、粗糙度和分形维数等地形参数信息。结果表明：冯·卡门撞击坑的海拔低,其中坑底最南部海拔最低,其余地区海拔相对较高;冯·卡门撞击坑内存在很多小的撞击结构;冯·卡门撞击坑平均坡度为1.3°,小于2°的地区约占盆地底部面积的85%;粗糙度值小于20 m的区域占95.1%;整体上有较大的分形维数。上述结果说明冯·卡门撞击坑整体上地形起伏小,结构稳定。统计结果表明：冯·卡门撞击坑南部、东南部及西北部地区都有较小的坡度、粗糙度值和较大的分形维数值,可满足探测器的着陆要求。与“嫦娥3号”着陆区地形的对比表明,冯·卡门撞击坑内部的地形条件要优于“嫦娥3号”着陆区。     

月球阿波罗盆地区域月壳结构及光谱特征

位于月球南极–艾肯(South Pole-Aitken Basin,SPA)盆地内的前酒海纪阿波罗盆地跨越了SPA盆地的瞬时穴和盆缘。SPA盆地是已确认的月球上最大最古老的撞击盆地,因此阿波罗盆地对于认识月球的内部结构和成分、区域地质作用和演化历史具有不可替代的作用。阿波罗盆地区域月壳具有很强的不对称性,靠近SPA盆缘处厚而靠近SPA盆地中心处薄,其峰环内部拥有最薄的月壳厚度。阿波罗盆地区域具有不同的光谱吸收特征。在阿波罗盆地外,靠近SPA盆缘具有更多Mg辉石吸收特征的短波吸收,而靠近SPA中心区域具有更多高Ca辉石吸收特征的长波吸收。盆地内部不同地质单元的光谱吸收特征也有差异,月海为高Ca辉石的吸收特征,峰环为Mg辉石的短波长吸收。阿波罗盆地具有最薄的月壳厚度、高程差达8 km的地层剖面、位于月球背面SPA盆地内的月海、发育充分的中央峰环,其独特性使它成为最有价值的采样点。     

基于影像数据的冯·卡门撞击坑形貌分析

月球背面南极—艾肯（South Pole-Aitken,SPA）盆地内的冯·卡门（Von Kármán）撞击坑是“嫦娥4号”初步选定的着陆区,该区域的地形地貌分析是任务设计的一个重要环节。根据LOLA （Lunar Orbiter Laser Altimeter）高程数据和LROC（Lunar Reconnaissance Orbiter Camera）影像数据,建立了马尔科夫随机场模型,从聚类的角度对该区域的地形地貌进行了表示和分析。具体而言,利用模型中的似然函数对呈近似正态分布的观测数据进行了建模,模型的标记随机场则刻画了不同地物形貌间的空间关系,并通过概率推断求解出最终的聚类结果。实验结果表明,从聚类角度进行数据表示,可以更好地展示出冯·卡门撞击坑内低对比度区域的地形地貌;而通过设置不同的聚类数目,还有助于分析冯·卡门撞击坑内整体的地形分布与局部的典型地貌。