《繞月探測工程科學目標專題研究》主要收錄了自繞月探測工程立項以來有關月球探測科學目標與科學探測數據的分析與研究所獲得的成果，共收錄論文109篇。研究成果涵蓋了綜合性成果、月表形貌、物質成分、微波與月壤特性、空間環境和其他相關問題的研究成果，是我國首次月球探測科學目標研究成果的系統總結。
《繞月探測工程科學目標專題研究》所收集論文源自多種學術期刊，各源刊格式標準可能不統一，本著尊重歷史、忠于原著的精神，所用物理量單位、符號、圖例、參考文獻等盡量保留了原文風貌。
《繞月探測工程科學目標專題研究》可供月球科學、深空探測等相關專業的大專院校教師、研究生與高年級本科生，科研院所相關科研與技術人員參考。
《中國探月工程科學探測成果系列叢書》序言
前言
及時部分 綜合性成果
月球探測發展歷程及啟示
月球探測與研究進展
月球探測與人類社會的可持續發展
深空探測進展與開展我國深空探測的思考
月球探測的進展與我國的月球探測
繞月探測工程的初步科學成果
嫦娥一號的初步科學成果
嫦娥一號衛星的初步科學成果與嫦娥二號衛星的使命
Recent：Results from Chang`E-1 Lunar Mission
虹灣地區月球衛星遙感地質解析制圖
基于嫦娥一號衛星數據的柏拉圖(Plato)月坑地質研究
China`s Lunar Exploration Program：：Present and Future
Primary Scientific Results OfChang`E-1 Lunar Mission
Preliminary Scientific Results of Chang`E-1 Lunar Orbiter：Based On Payloads Detection Data in the First Phase
Chang`E-1 Lunar。Mission：An Overview and PIimary Science Results
Geologic Investigation and Mapping of the Sinus Iridum Quadrangle from Clementine，SELENE， and Chang`E—l Data
The Interpretation OfGravity Anomaly On LunarApennines
第二部分 月表形貌
SIFT和相關系數在嫦娥一號月球影像匹配中的應用
嫦娥一號衛星CCD立體相機月表圖像鑲嵌
嫦娥一號圖像數據處理與全月球影像制圖
"嫦娥一號"及時幅月面遙感影像撞擊坑特征
基于"嫦娥一號"的月表形貌特征分析與自動提取
基于"嫦娥"衛星三線陣CCD立體相機的月球表面三維建模
基于嫦娥一號CCD數據空間特征的特定目標識別
嫦娥一號月面影像圖自動生成軟件的設計與實現
嫦娥一號激光測距數據及全月球DEM模型
利用嫦娥一號激光高度計數據制作月球DEM的方法研究
基于嫦娥一號激光測高數據的月球三軸橢球體模型
基于嫦娥一號衛星激光測高觀測的月球地形模型CLTM-s01
基于嫦娥一號衛星激光高度計數據的月表有效反射率
基于嫦娥一號觀測數據的月球形貌可視化技術
月球表面粗糙度的分形表征
月球主要構造特征：嫦娥一號月球影像初步研究
基于新近數據的月球地形、重力場及內部構造研究進展
嫦娥一號CLTM—s01模型揭示和證認的月球地形新特征
基于嫦娥一號衛星激光測高數據的月球DEM及高程分布特征模型
月球亞平寧山脈重力異常解釋
基于"嫦娥一號"跟蹤數據的月球重力場模型CEGM-01
基于球冠域的月球重力地形校正方法
在嫦娥一號探月工程中求定月球重力場
月球"質量瘤"盆地的深部結構與撞擊演化
月球表層及月殼物質密度分布特征一
嫦娥一號月面成像的高次函數形變模型匹配及超分辨率重建
嫦娥一號探測器發現月球正面"玉兔"火山
Automatic Seamless Stitching Method for CCD Images ofChang`E一1 Lunar Mission
The Global Image of the Moon Obtained by the Chang`E-1：Data Processing and Lunar Cartography
Triaxial Ellipsoid Models ofthe Moon Based on the LaserAltimetry Data ofChang`E-1
New Features ofthe Moon Revealed and Identified by CLTM—s01
The Simulation of Lunar Gravity Field Recovery from D—VLBI of Chang`E一1 and SELENE Lunar Orbiters
Bouguer Gravity Anomaly of the Moon from CE一1 Topography Data：Implications for the Impact Basin Evolution
LaserAltimetry Data ofChang`E一1 and the Global Lunar DEM Model
Super-resolution Reconstruction and Higher-degree Function Deformation Model Based Matching for Chang`E一1 Lunar Images
Lunar Topographic Model CLTM—s01 from Chang`E一1 LaserAltimeter
A 3D Multiresolution Lunar Surface Model Using Bicubic Subdivision-surface Wavelets，with Interactive Visualization Tools
The Modeling Analysis of Microwave Emission from Stratified Media of Non—uniform Lunar Cratered Terrain Surface for Chinese Chang`E一1 Observation
Automated Detection ofLunar Craters Based on Object—orientedApproach
Lunar Digital Elevation Model and Elevation Distribution Model Based On Chang`E-1 LAM Data
第三部分 物質成分
改進的插值法用于干涉成像光譜儀影像條帶噪音去除
基于非線性混合模型研究太空風化對月壤光譜的影響
基于嫦娥一號干涉成像光譜儀吸收特征的月表鈦含量評估
"嫦娥一號"干涉成像光譜儀數據FeO反演初步結果
嫦娥一號干涉成像光譜儀數據Ti02反演初步結果
嫦娥一號IIM數據處理分析與應用之一：全月表礦物吸收中心分布圖
嫦娥一號干涉成像光譜儀(IIM)2c級數據信息提取
基于奇異值分解方法的嫦娥一號Y射線譜儀譜線定性分析
利用CEl-GRs數據分析月表釷元素分布特征
月球表面巖石類型的分布特征：基于Lunar Prospector(LP)伽馬射線譜儀探測數據的反演
月球表面天然放射性元素Th的分布特征及月球化學的原始不均一性
月球表面鈦的研究進展
微擾法測量干燥巖礦樣品復介電常數
Refinement of a Lunar FeO Mapping Method
Preliminary Results of FeO Mapping Llsing Imaging Interferometer Data from Chang`E-l
Preliminary Results Of Ti02 Mapping Llsing Imaging Interferometer Data from Chang`E-1
Chang`E-1 Gamma Ray Spectrometer and Preliminary Radioactive Results On the Imnar Surface
第四部分 微波與月壤特性
微波月亮——人類對月球的全新視角——中國"嫦娥一號"衛星微波探測儀若干探測結果
"嫦娥一號"微波探測儀探測月壤厚度機理和地面驗證實驗
"嫦娥一號"衛星微波探測儀數據處理模型和月表微波亮溫反演方法
"嫦娥一號"微波輻射計觀測月球虹灣地區表面物理溫度晝夜時間分布
嫦娥一號對月球表面微波輻射觀測分析及其月壤厚度反演
"嫦娥一號"多通道微波輻射計測量估算全月球月壤層氦3含量
月球若干地區微波輻射特征研究
月球南極的微波輻射分布與異常
"嫦娥一號"對環形山起伏非均勻月表層微波輻射觀測的理論建模分析
用"嫦娥一號"衛星微波探測儀亮溫反演月壤厚度和3He資源量評估的方法及初步結果分析
月壤3He資源估算及相關參量分析
基于嫦娥一號衛星微波輻射計數據的月球Cabeus撞擊坑水冰含量研究
Analysis of Microwave Brightness Temperature of Lunar Surface and Inversion of Regolith Layer Thickness：Primary Results ofChang`E—l Multi.channel Radiometer Observation
Distribution and Anomaly ofMicrowave Emission at Lunar South Pole
Review on Retrieval of Lunar Regolith Thickness by Active and Passive Microwave Measurements
Simulation of Brightness Temperature from Lunar Surface and Inversion of Regolith—layer Thickness
Quantitative Estimation of Helium一3 Spatial Distribution in the Lunar Regolith Layer
Microwave Transfer Models and Brightness Temperature Simulations of MWS for Remote Sensing Lunar Surface on CE—l Satellite
Research on Water Ice Content in Cabeus Crater Using the Data from the Microwave Radiometer onboard Chang`E一1 Satellite
A Primary Analysis of Microwave Brightness Temperature of Lunar Surface from Chang`E-1 Multi—channel Radiometer Observation and Inversion ofRegolith Layer Thickness
Diurnal Physical Temperature at Sinus Iridum Area Retrieved from Observations of Chinese Chang`E-1 Microwave Radiometer
Microwave Brightness Temperature of Cratered Lunar Surface and Inversions of the Physical Temperature Profile and Thickness ofRegolith Layer
Diurnal Change of MW and IR Thermal Emission from Lunar Craters with Relevance to Rock Abundance
第五部分 空間環境
"嫦娥一號"探月衛星發射期間太陽活動現象監測
嫦娥一號太陽風離子數據在月表分布的可視化
嫦娥一號高能粒子分布數據的可視化
Anomalous Deformation of the Earth`S Bow Shock in the Lunar Wake：Joint Measurement by Chang`E-1 and SELENE
3DVisualization ofSolarWindIonDatafromtheChang`E—i Exploration
第六部分 其他研究成果
月球表面水冰的探測和意義
月球的地體構造與起源模式
月球磁場與月球演化
利用嫦娥一號衛星受控撞月過程的影像數據進行撞月點定位
嫦娥一號衛星受控撞月軌跡測量與落月點坐標分析
探月光學
An Inversion Approach for Lunar Regolith Layer Thickness Using Optical Albedo Data and Microwave Emission Simulation
圖版
及時部分 綜合性成果
月球探測發展歷程及啟示?
鄧連印 崔乃剛
(哈爾濱工業大學 航天學院，哈爾濱150001)
摘 要 從1959年到1976年，前蘇聯和美國發射了多種系列的月球探測器，他們采用了最早的深空探測技術和探測方式，并獲得了寶貴的成果和豐富的經驗，掀起了世界及時次探月高潮；1976—1994年國際上將深空探測的重點轉向了火星和對空間站的研制，沒有進行過任何成功的月球探測活動，出現了其后的相對月球探測寧靜期；20世紀末，美國的"克萊門汀"號和"月球勘探者"號成功獲取了月球的新發現，世界航天大國相繼宣布了以月球為中心的深空探測計劃，并紛紛發射月球探測器，將月球探測又推向了一個新的高潮。根據目前"嫦娥一號"的新技術和他國的月球探測情況，對我國未來月球探測進行展望，以在今后國際月球探測活動中占據主要位置。
關鍵詞 探月活動 探月計劃 展望 啟示
1 引言
人類渴望探索未知世界，開拓奇妙的宇宙。月球作為地球的一顆天然衛星，從古到今一直牽動著人類的夢想。1986年美國康斯維辛大學的研究人員從月球的巖石和沙粒中提取氧氣的時候，發現了月球巖石中含有豐富的3He核動力資源，因此可以設法將月球上的3He運回地球或者直接在月球上建立可控核聚變的核電站。同時在月球上建立太陽能電站也是空間利用太陽能的有益嘗試，是解決全球未來能源問題的有競爭力的方案。月球還有可能成為人類開展深空探測研究，尋找"地外文明"，開展對宇宙星球(如火星)的探測、開發等研究工作的中轉站或基地。近幾年來，許多國家的政府機構、公司和科學家都在競相策劃或實施準備向月球移民的試驗，并提出了建設月球基地的方案和月球城市的構想[1~2]。
此外，由于月球上土壤成分與地球上的相似，以及月球周圍所具有的無大氣包圍、無電離層、無輻射、弱重力、弱磁場的空間環境，為某些特殊工業生產提供了有利的條件，如微重力材料加工、蛋白質體生長、薄膜半導體材料、編晶合金、砷化鎵等光電晶體生長、共晶生長等的試驗、生產加工以及醫學和藥品的試驗加工等[3]，許多科學家認為在今后的幾個世紀里月球將成為太陽系的工業中心。同時，月球也是天體物理研究的良好場所，開展月-地空間環境的測量、對地和宇宙觀測，可為將來的深空探測任務創造更好的條件。從現實和長遠來看，月球對人類生存發展有著特殊的意義和價值，對月球的探測和開發，是世界強國實現其科學、經濟、政治、軍事方面經驗豐富地位的有力途徑[4~5]。
2 各國月球探測活動及計劃
自1959年開始月球探測至今，人類共進行了123次月球探測活動。其中，美國56次(包括10次載人月球探測)、前蘇聯64次、中國1次、日本2次，歐空局1次[6]。20世紀六七十年射的月球探測器有108個，主要集中在美國和前蘇聯兩個超級大國，形成了美蘇爭霸時期的探月高潮。70年代末到90年代初，美國停止了阿波羅登月計劃，將宇宙探測的重點轉向了火星等其他星體，而前蘇聯將重點轉向了空間站，世界各國均未對月球進行新的探測，人類月球探測進入一個寧靜期。1994年，美國發射了"克萊門汀"(Clementine)月球探測器，隨后俄羅斯、歐洲、日本等也紛紛提出了各自的發展計劃，形成了月球探測的第二次高潮。
2。1 美蘇爭霸時期(1959—1976)：及時次探月高潮
19世紀50年代末開始，在冷戰的背景下，美國和前蘇聯展開了激烈的空間競賽，而月球探測是初期深空探測的重點。他們通過發射月球探測器完成了對月球表面的探測，并帶回了大量的照片和樣本。前蘇聯在這17年的時間里共發射了47顆無人月球探測器，主要有"月球"(Luna)系列、"宇宙"(Cosmos)系列及"探測器"(Zond)系列。美國也制訂了龐大的探月計劃，發射了23顆無人月球探測器，主要包括："先驅者"(Pioneer)系列、"徘徊者"(Ranger)系列、"月球軌道器"(Lunar orbiter)系列、"勘測者"(Surveyor)系列、"阿波羅"(Apollo)系列探測器等[7]。
1) 主要成功的探月活動及其成果
在初始階段，月球探測主要采用擊中月球(硬著陸)、飛越月球和繞飛月球拍攝月球表面照片的探測方式。1959年，前蘇聯發射的月球1號首次成功脫離了地球的引力，從距月面7500m的高處飛過，成為人類歷史上及時顆近月飛行的人造衛星。月球2號首次采取了月面硬著陸，實現了從地球到另一個天體的飛行。月球3號拍攝了月球背面70%的照片，它是人類首次獲得的月面照片。美國在1964—1965年發射的"徘徊者7—9號"都采用了硬著陸方式，發回了高分辨率的月面照片[8~9]。
隨著空間技術的發展和對月球了解的深入，不同的月球探測方式不斷出現，對飛行任務也提出了更高的要求，前蘇聯和美國主要采用的探月方式有四種：
環月飛行 當探測器到達月球附近(如近月點)時，用制動發動機減速，使之成為沿月心橢圓(或圓)軌道運動的月球衛星。月球衛星可長期對月面和近月空間進行探測，繪制全月面地形圖、地貌圖和地質圖，并可選擇登月的著陸位置。此類探測器主要有前蘇聯的1966年發射的"月球10號"、"月球11號"和"月球12號"，還有此后的"月球14號"、"月球19號"和"月球22號"都拍回了大量近距離月面照片。美國的"月球軌道器1—月球軌道器5"同時也進行了環月飛行，發回了大量的電視照片，并為阿波羅飛船選擇登月地點。"阿波羅15"和"阿波羅16"釋放的P與FJ衛星也分別進行了環月飛行。
月面軟著陸(包括攜帶月球車進行月面巡游) 探測器在落向月面的過程中用制動發動機減速，使到達月面時的速度接近零。探測器可近距離拍攝月球照片和測定月面土壤的各種物理特性，分析其化學成分，并進行月面輻射和磁場等研究。若攜帶月球車，則還可以探測月面上不同地點。1966年前蘇聯的"月球9號"和"月球13號"采取了月面軟著陸的方式，9號是人類歷史上首次在月球上成功軟著陸的航天器，并發回了月球的全景影像；13號進行了月壤力學測定，并發回電視全景照片。隨著技術的進步，1970年"月球17號"在月面軟著陸后，攜帶的世界上及時輛自動月球車" 月球車1號"在月球上行程共10540m，考察了8000m2月面地區，拍攝了200幅月球全景照片和2萬多張月面照片，直到1971年10月核能耗盡才停止工作。1973年的"月球21號"(攜帶"月球車2號")還測量了月球的磁場、輻射、土壤，并進行了激光定位和攝影。美國的"勘測者"(Surveyor)系列也是成功實現月面軟著陸方式的典型代表，如1966年發射的"勘測者1號"、1967年的"勘測者3號"、"勘測者5號"和"勘測者6號"，1968年的"勘測者7號"都是月面軟著陸的探測器，實現軟著陸后，它們成功地發回大量的電視照片和化學分析數據[10～11]。
自動取樣并返回 探測器先飛向月球并在月面軟著陸，待完成月面任務后，再從月面垂直起飛，返回地球。這種飛行方式除了可以完成月面軟著陸科學探測任務外，更重要的是可以將月球土壤和巖石樣本帶回地球，以便進行更為詳細的研究。前蘇聯于1970年發射的"月球16號"探測器，在月球豐富海地區軟著陸后，其自動挖掘機在月面上鉆了個0。35m深的孔，取出100g土壤品并成功地送回了地球，開創了深空探測史上無人探測器自動挖取外星球巖石樣品，并自動送回地球的先河。而后的"月球20號"和"月球24號"也采用了自動月球車，對月壤深處進行取樣，并成功地返回地球[12～13]。
載人登月 一般先使探測器成為月球衛星，然后登月艙在月面軟著陸；返回時登月艙先上升至月球衛星軌道，與留軌艙對接，再回到地球。這種探測方式除了可以完成其他3種飛行方式所能完成的所有科學探測任務外，還能完成許多無人探測器所不能完成的科學研究和實驗。載人登月本身就是人類航天活動的巨大成就，同時它還可以為人類在月球上建立基地和進入更遙遠的太空積累資料。1969年美國的"阿波羅11"，首次實現了人類登上月球的偉大壯舉，它在月面停留21h 36min，宇航員工作2h 10min，采集標本28kg，把人類的腳印留在月球。隨后，美國在1970—1972年相繼發射了"阿波羅12"至"阿波羅17"探測器，都采取了載人登月的方式，并且帶回了大量的月球樣品。"阿波羅13"因中途發生故障，繞月后返回，未能實現登月[14~15]。
通過這個階段的月球探測，人類獲得了極其豐富的研究數據。使人類對月球的形狀、大小、近地空間環境、月球軌道參數、月球表面的構造與特征、月球的巖石類型與化學組成、月球的資源與能源、月球內部構造與演化歷史等方面的研究，取得了一系列突破性的進展，在月球的起源和地月系統的相互作用與影響方面獲得了新的認識。
2) 探測失敗的經驗教訓
月球探測工程極其復雜，需由運載火箭、空間探測器和測控網等系統協調完成，而這些系統是由成千上萬個零部件組成的。對于如此龐大的系統，任何一個零部件出現故障，都有可能導致整個探測任務的失敗。自1958年開始前蘇聯執行第1次月球探測任務以來，失敗率高達48。7%，美國的失敗率也高達34%。
首先，運載火箭容易發生故障，1958—1959年，美國共發射5枚先驅者系列探測器，前4次因火箭推力不足均失敗，只有"先驅者4號"勉強成功，但也只是遠距離飛越月球。美國還發射了多枚"艾布爾"系列探測器，但因運載故障而全部失敗。1962年美國用宇宙神-阿金納–B火箭發射了徘徊者–3月球軌道器，試圖撞擊月球。由于火箭制導系統失靈，最終失敗。前蘇聯在1965—1969年發射的"宇宙"系列探測器，發生故障的部位多集中在運載火箭的上面級。
探測器故障造成的失敗也占有重要比例。1962年，宇宙神-阿金納-B火箭發射了徘徊者–4號月球軌道器，試圖首次實現月球撞擊，但由于探測器上的計算機計時器和程序發生錯誤，太陽電池翼一直未能打開，飛行10h后，儀器設備停止工作。1966年，"大力神-半人馬座"(Titan-Centaur)火箭發射了勘測者-2月球軌道器，做月球軟著陸嘗試，但由于探測器的3臺微調發動機中的1臺發動機點火故障造成中段修正失敗，使探測器失去了控制，墜毀于月球。
此外，還有測控網故障等造成的失敗，1959年1月2日，東方號火箭發射了月球–1探測器，任務是撞擊月球。由于無線電控制地面站的一些失誤，未能實現撞擊月球，火箭第3級和探測器在距離月球5995km時信號丟失，變成了世界上及時個人造太陽衛星[16~17]。
還有，由于當時特殊的國際政治環境和技術管理能力方面的缺陷，也導致一些月球探測任務的失敗。20世紀五六十年代，前蘇聯和美國在航天領域展開了激烈競爭，在月球探測活動中互相追逐，都希望搶在對方的前面進行月球探測器或飛船的發射，許多研制和發射試驗都是倉促進行的，準備極不充分，甚至出現了某些火箭系列發射全部失敗的慘痛局面，如"雷神-艾布爾"、"宇宙神-艾布爾"、N–1和宇宙號火箭。為了同美國"阿波羅"登月計劃競爭，前蘇聯設計了一種體積過大，結構復雜，未經過充分地面試驗的龐然大物——N–1運載火箭。N–1火箭結構過于復雜，發動機點火和級分離次數過多，火箭氣動穩定性和控制相當困難，加之未進行充分的地面試驗，最終導致N–1火箭4次發射全部失敗。
前蘇聯在早期探月活動中，由于缺少頂層設計所導致的設計局間的競爭也阻礙了其探月計劃的進展。前蘇聯領導層缺乏對探月計劃及其風險的認識，不同的設計局負責不同的探月計劃，每個設計局又缺少頂層設計，各設計局之間惡性競爭也嚴重阻礙探月計劃的進展。正是這種不同設計局之間的利益關系，導致了他們為了政治利益及資金支持而展開競爭，也正是這種惡性競爭造成了大量的人力與財力資源的重復浪 費[18]。
2。2 月球探測相對寧靜時期(1977—1993年)
自1976年以來，直到1994年國際上沒有進行過任何成功的月球探測活動，出現了人類月球探測高潮后的相對寧靜期。原因主要有三個方面：一是前蘇聯和美國兩個超級大國為爭奪空間霸權而掀起的競爭，是冷戰的產物，隨著冷戰形勢的緩和，加之前蘇聯的解體，空間霸權的爭奪有所緩解；二是經過及時次月球探測高潮，獲得了豐富寶貴的數據與資料
……
