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叶培建院士谈月球探测工程中的月球环境问题 1 前言 1959年1月，前苏联发射了第一个月球探测器——月球1号，第一次拍摄了近距离的月球照片，拉开了人类深空探测的序幕。此后，前苏联从1959年1月至1976年8月先后共发射了47个无人月球探测器，成功地进行了硬着陆探测、软着陆探测、巡视探测和自动采样返回。美国在此期间先后共发射过36个无人月球探测器。探测器分别对月球实现了硬着陆和软着陆，发送回大量的照片和化学分析数据。1969年7月发射的“阿波罗-11”首次实现了载人登月，此后，又进行了5次载人登月飞行，谱写了人类月球探测史上最绚丽的篇章。 美国在1972年完成了最后一次“阿波罗号”飞船登月飞行后，便停止了登月活动。从此月球探测被冷落下来。直到20世纪90年代，月球探测再一次热起来。 1994年1月25日，美国成功发射了“克莱门汀”卫星。1998年1月7日，美国“勘测者号”系列月球探测器中的必威体育精装版成员在美国卡纳维拉尔肯尼迪航天中心发射上天。美国提出了“新盛世”计划，欧洲航天局计划在21世纪初到2020年分4个阶段进行月球探测，日本和印度也制订了21世纪初的探月计划。 21世纪，人类已迎来第二个月球探测热潮。 目前，我国月球探测工程已经启动，正在实施“绕”、“落”、“回”三步走的战略目标。绕月卫星“嫦娥一号”将于2007年奔赴月宫，各大系统的研制正有序进行；同时二、三期工程论证和关键技术的预先研究也在有条不紊的进行之中[1]。 月球探测器在绕月飞行和月面探测过程中，将遭遇到近月空间和月面的各种特殊环境，而这些环境因素将对月球探测器的性能、可靠性和工作寿命产生影响。月球环境是研制月球探测器、软着陆器和月球车必须予以关注和重视的重大制约因素。 2 月球环境 月球环境主要包括月球重力场、磁场、辐射、大气、流星体、月面温度、月球尘及月壤、月面地形地貌等环境。这些环境，又可分为近月空间环境和月表环境。近月空间环境包括辐射、大气和流星体等环境；除了近月空间环境因素之外，其余的环境因素为月表环境。 2.1 近月空间环境 2.1.1 辐射环境 月球辐射环境主要有3个带电粒子源：太阳风、太阳宇宙射线和太阳系之外的高能银河宇宙射线[2]。 (1) 太阳风太阳风等离子体主要由氢和氦的核子组成，是月球大气的主要来源。太阳风粒子到达月面速度约为400 km/s。 (2) 太阳宇宙射线太阳宇宙射线主要由氢、氦的核子组成，也包括少量的重核子。太阳宇宙射线发生在太阳耀斑强烈爆发期间，太阳宇宙射线的强度随耀斑活动（太阳耀斑活动周期为11年）变化而变化。 (3) 银河宇宙射线银河宇宙射线带电粒子主要由能量极高的原子核粒子组成，来自太阳系之外，但是粒子的通量远小于太阳宇宙射线。 表1列出了3种辐射类型的能量、通量和穿透深度的数据。 表1 月球环境中3种辐射类型的特性 Table 1 Some properties of three kinds of the lunar radiation 辐射种类 太阳风 太阳宇宙 射线 银河宇宙 射线 核子能量 0.3?3 keV/u 1 ? 100 MeV/u 0.1? 10 GeV/u 电子能量 1?100 eV 0.1?1 MeV 0.1 ?10 GeV/u 通量数 (质子/cm2·s) ?3×10E8 0?10E6 2?4 穿透深度(cm) 10－6 1?10－3 1?103 注：eV/u为每个核子的电子伏特数 2.1.2 大气环境 由于在近月空间和月表环境中的大气密度只有地球上的1/1012，所以月球大气环境也称为真空环境。月球环境的真空度比地球轨道的真空度还高（约高2个数量级）。 2.1.3 流星体环境 月球表面受到流星体和微流星体的轰击，撞击速度范围2.4～72 km/s。直径小于1 mm的流星体为微流星体。 美国用月球地震测量网络完成了质量大于100 g粒子通量的直接测量，对所测量的结果进行数理统计分析，得到的通量(present-day flux)可用下列式子表示： lgN = －1.62－1.16 lg m， 式中：N为撞击次数，1/(km2 · a)；m为质量（大于100 g）。 也有人对月面平均每年累计流星体进行了统计，得出了相应的统计模型： lgN = －14.597－1.2131 lgm (10-6?m?106), lgN = －14.566－1.5841 lgm?0.063 (lgm)2 (10-12?m?10-6)， 式中，m为质量，g；N为撞击月面次数，1/（m2·s）。 2.2 月表环境 2.2.1 月球重力场环境 月球重力加速度为地球重力加速度的1/6，即(1/6)g。 2.2.2 月球磁场环境 整个月球没有一个完整的偶极磁场（地球有南