美國月球隕坑觀測和遙感衛星

美國航天局於台北時間2009年6月19日凌晨發射月球勘測軌道飛行器(以下簡稱LRO)、月球隕坑觀測和遙感衛星(以下簡稱LCROSS)，這是美國“重返月球”戰略計畫的第一步，將為美國下一步載人探月以及探索太陽系提供重要數據。

基本介紹

• 中文名：美國月球隕坑觀測和遙感衛星
• 外文名：LCROSS
• 時間：1999年
• 發射：月球勘測軌道器

任務介紹

1999年，美國宇航局的“月球勘探者”在月極附近永久處於背面的月球坑裡發現了氫的痕跡。這些發現可能是月球水的一種跡象，在人類進一步探索低地球軌道的時候，它可能有著深遠的意義。現在，“月球隕坑觀測和遙感衛星”(LCROSS)任務的結果就將尋找這一最終的答案。

2006年4月，美國宇航局把“月球隕坑觀測和遙感衛星”選為2009年要發射的低成本“快軌伴生”任務。“月球隕坑觀測和遙感衛星”的主要任務是證實永久處於背面的月球隕坑是否可能存在水以及可能存在的水的形態。“月球隕坑觀測和遙感衛星”將於2009年與“月球勘測軌道器”(LRO)一同從佛羅里達州卡納維拉爾角搭乘“阿特拉斯5”號火箭發射升空。

發射後“月球勘測軌道器”將與“月球隕坑觀測和遙感衛星”分離，各自繼續飛往月球。較小的“牧羊太空飛行器”(shepherding)將留在“阿特拉斯5”號火箭的“半人馬座”(Centaur)上面級，並把“半人馬座”作為該任務的主撞擊太空飛行器，這是“半人馬座”之前從未做過的事。

月球

月球勘測軌道器

與“月球勘測軌道器”的距離足夠大的時候，“牧羊太空飛行器”和“半人馬座”將執行“爆破”制動機動，釋放“半人馬座”內的剩餘燃料，幫助預防撞擊點的污染。5天后，“牧羊太空飛行器”和“半人馬座”將進行一次月球飛越，進入一個延長的地球軌道到達撞擊月極的指定地點。該任務的延長軌道部分被認為需要4個月的時間。這一時間的準確長度取決於發射的準確時間，其目的是為了符合很多競爭任務限制，包括找到特定目標坑，撞擊定時以獲得撞擊產生的碎片雲的合適圖像和保持在太空船推進限制時間內。

在最後接近月球的時候，“月球隕坑觀測和遙感衛星”將和“半人馬座”分離。“半人馬座”將成為初級撞擊器，撞擊形成塵埃煙柱，一些較重的金屬可到達月球表面6.2英里(10千米)的高度。4分鐘後，“月球隕坑觀測和遙感衛星”將穿越碎片雲，收集並把數據傳回地球，之後撞擊月球表面，形成第二次塵埃煙柱。繞月衛星和地面上以及軌道上的望遠鏡將會觀察到兩次撞擊以及產生的塵埃煙柱。兩次撞擊有望從地球上使用10到12英寸和更大的望遠鏡看到。多重來源收集到的數據將被用於為人類最後返月作準備。

月球隕坑觀測和遙感衛星

“月球隕坑觀測和遙感衛星”的科學載荷包括2個近紅外線光度計、1個可見光分光光度計、2箇中紅外線照相機、2個近紅外線照相機、1個可見光照相機以及1個可見光輻射計。“月球隕坑觀測和遙感衛星”儀器有效載荷被設計為任務科學家提供“半人馬座”撞擊造成的塵埃煙柱的多重補足圖像。隨著塵埃煙柱在目標坑邊緣上方升起，它就會暴露在陽光下，任何水凍冰、碳氫化合物或者有機物都會蒸發分解成為它們的礎成分。這些成分主要由可見光光度計和紅外線光度計監測，近紅外線照相機和中紅外線照相機將決定塵埃煙柱中水的總量和分布狀況。“月球隕坑觀測和遙感衛星”的可見光照相機將跟蹤這一撞擊位置和塵埃煙柱的情況，而可見光光度計將測量“半人馬座”撞擊月球形成的閃光。

“月球隕坑觀測和遙感衛星”是一項低成本快速反應任務，利用了美國宇航局已有的系統、商用現成部件和諾斯洛普·格魯門航天技術公司在太空飛行器設計研製方面的專長以及“月球勘探者”任務獲得的經驗。加州美國宇航局艾姆斯研究中心負責這項任務，執行任務操作，開發荷載工具。諾斯洛普·格魯門公司負責為這一創新任務設計和建造“月球隕坑觀測和遙感衛星”， 艾姆斯任務科學家負責數據收集和分析。

撞月詳解

為了在最大程度上產生羽狀碎片，“半人馬座”火箭和“牧羊太空飛行器”撞擊月球時需要擁有足夠的速度以及較高的撞擊角度。據工程師估計，“半人馬座”和“牧羊太空飛行器”將以每秒1.55英里的速度撞擊月球表面，這一速度是點44馬格南左輪手槍所發射子彈的5倍。

相當於月球表面的撞擊角度大約為80度。為了達到這一高撞擊角度，“牧羊太空飛行器”和“半人馬座”將在發射進入一條延長的LGALRO大約5天之後飛越月球，整個過程將歷時4個月。LGALRO的實際長度取決於發射時間，科學家將對軌道長度進行計算，以確定是否滿足一系列限制條件，其中包括能夠順利抵達目標隕坑，月球處於正確相位和傾斜角度以保證撞擊時產生的羽狀碎片接受合適的日光照射。

發射當日，LCROSS項目組將對外宣布選擇哪個月球極地以及首要目標隕坑。在正式撞擊前30天，項目組將最終敲定目標隕坑。最終接近月球時，“牧羊太空飛行器”和“半人馬座”將分離。“牧羊太空飛行器”將進行制動，同時調整方位，以讓所攜帶的儀器準確捕捉“半人馬座”撞擊。在“半人馬座”撞月後，“牧羊太空飛行器”有4分鐘時間收集撞擊數據並將數據傳回LCROSS任務控制中心。

按照要求，LCROSS的撞擊準確度應達到半徑6.2英里(約合10公里)左右，真正執行任務時，準確度可能大大提高，達到0.75公里或者1.2公里。“半人馬座”撞擊的隕坑直徑預計在90英尺(約合27米)左右，深度則在16英尺(約合5米)上下，LCROSS飛船撞擊的隕坑直徑預計在60英尺(約合18米)左右，深度則在10英尺(約合3米)上下。據悉，撞擊將產生非常短暫的可見閃光，持續時間不到100毫秒。絕大多數噴出物將被拋向上空，上升速度超過每秒820英尺(約合每秒250米)。

利用埃姆斯研究中心的“垂直射擊靶場”進行的研究顯示，LCROSS撞擊產生的隕坑體積將遠遠超過“月球勘探者”。後者重量為348磅(約合158公斤)，以6度掠射角和每秒1英里(約合每秒1.7公里)的速度撞擊月球。

科學目標

月球是夜空中最為明顯的天體，但人類對月球絕大多數地區的了解還不及更為遙遠的火星。對月球的了解主要來自地球上的望遠鏡、“阿波羅”任務以及規模較小的機器人月球任務。上世紀90年代，兩次小規模機器人任務——“克萊門汀”號月球任務以及“月球勘探者”任務——發現了月球極地地區可能存在水的證據。不幸的是，所發現的證據並不具有決定性。LCROSS任務的一個重要目標就是尋找月球水是否存在這個問題的確切答案。如果確有水存在，月球必將成為人類探索太陽系的一個寶貴資源。

月球隕坑觀測和遙感衛星(LCROSS)撞月模擬圖

LCROSS任務主要科學目標包括以下4個方面：

1。證實月球一個永久性陰暗區是否有水存在。

2。尋找在月球極地地區探測到的氫簽名成因。

3。如果確有水存在，確定月球土被或土壤中的含水量。

4。確定月球其中一個位於永久性陰暗區的隕坑土被成分。

LCROSS任務將是針對月球永久性陰暗區隕坑的第一次實地研究。LCROSS的首要任務是測量永久陰暗區土被或土壤中的水冰(冰與塵埃的混合物)濃度。“半人馬座”重量達到5216磅(約合2366公斤)，大約相當於一輛大型運動型多功能車(SUV)。在以每秒1.55英里(約合每秒2.5公里)的速度撞擊一個永久陰暗區隕坑坑底時，首先會出現閃光，緊接著產生羽狀碎片。如果坑底有水存在，水會因此次撞擊被拋到空中。一旦高度超過隕坑邊緣，便會暴露在太陽輻射下，水分子隨即分解成氫離子和氫氧離子。

在撞擊後的4分鐘時間裡，“牧羊太空飛行器”將利用所攜帶的科學儀器收集羽狀碎片數據並傳回LCROSS任務控制中心，在此之後，“牧羊太空飛行器”也將執行撞月任務。兩次撞擊的一個可能結果是，暫時產生一個由氫氧離子構成的稀薄大氣層，並被地上、繞地望遠鏡以及繞月衛星探測到。

數據參數

組成結構：“牧羊太空飛行器”和“半人馬座”火箭末級； 任務時間：3-7個月，撞擊目標為一個位於月球極地附近的永久性陰暗區隕坑，具體持續時間取決於發射以及目標隕坑確定日期；

科學儀器：牧羊太空飛行器攜帶有9個科學儀器；

項目成本：耗資7900萬美元。

美國月球隕坑觀測和遙感衛星

牧羊太空飛行器S-S/C

基本參數

尺寸：“牧羊太空飛行器”高79英寸(約合2米)，主結構直徑為103英寸(約合2.6米)，從“全向–Z”到“全向+Z”天線的寬度為131英寸(約合3.3米)。

重量：發射時總重量為1664磅(約合891公斤)——飛船自身重1290磅(約合585公斤)，肼燃料重674.6磅(約合306公斤)。

額外信息：撞擊過程中，“牧羊太空飛行器”的最大重量為866公斤，最小重量為621公斤，平均重量為743公斤。很多因素都可預測撞擊時的重量，其中就包括發射日期在內。

電力設施

船載系統所需電量由一個固定的峰值功率為600瓦的太陽能電池陣列以及一個鋰離子電池提供。1個恆星跟蹤器組合件以及10個高精度太陽方位感測器，負者保持電池板朝向太陽方向。

所要實現的精確度：按照要求，精確度應達到半徑6.2英里(約合10公里)的範圍，實際精確度預計可達到達到0.75英里(約合1.2公里)。

遙感勘測

飛船通訊通過兩條速度為1.5 Mbps(兆比特每秒)的中增益天線、兩條速度為40 Kbps(千比特每秒)的全向天線以及一個7瓦S波段無線電頻率轉發器實現。

數據：“牧羊太空飛行器”獲取的工程學與內務運算元據以及科學儀器獲取的數據將實時傳送給LCROSS任務操作和科學研究團隊。

飛船製造者：加州雷東多海灘的諾斯羅普·格魯曼航空航天系統公司以及馬里蘭州拉特哈姆的諾斯羅普·格魯曼技術服務公司。

設計製造：“牧羊太空飛行器”在諾斯羅普·格魯曼公司位於加州雷東多海灘的工廠設計製造，所攜帶的科學儀器則在美國宇航局位於加州莫菲特場的艾姆斯研究中心設計製造。

所載科學儀器：“牧羊太空飛行器”所攜帶的科學儀器包括兩個近紅外線分光計、一個紫外線-可見光分光計、兩架中紅外照相機、兩架近紅外照相機、一架可見光照相機以及一個可見光高速光度計。所有9個科學儀器獲取的數據均由一個常見的數據處理設備負責處理。

任務持續時間：LCROSS撞月任務持續時間在3個月至7個月之間，撞擊目標為一個位於月球極地附近的永久性陰暗區隕坑。具體持續時間取決於發射以及目標隕坑確定日期。

具體操作：LCROSS任務的任務操作與科學研究由美國宇航局位於加州莫菲特場的艾姆斯研究中心負責。

項目成本：LCROSS任務耗資7900萬美元，其中並不包括“月球機器人先驅”項目自2008年10月以來因推遲發射產生的額外費用。

半人馬座火箭

基本參數

尺寸：“半人馬座”高41.6英尺(約合12.68米)，直徑為10英尺(約合3.04米)。如果將“牧羊太空飛行器”算在內，這個“二合一”的高度可達到47英尺(約合14.5米)。

重量：“半人馬座”撞月時的重量最高可達到5216磅(約合2366公斤)。

迫近月球

分離：在月球表面上空大約5.4059萬英里(約合8.7萬公里)的高度，“半人馬座”將進行撞月。撞月前大約9小時40分鐘，“人馬座”將與“牧羊太空飛行器”分離。

180度旋轉：與“人馬座”分離後，“牧羊太空飛行器”將進行180度旋轉以便將所攜帶的科學儀器對準月球。

撞擊時間：“牧羊太空飛行器”將在“人馬座”撞月後4分鐘撞擊月球表面。

撞擊

速度：撞擊過程中，“人馬座”和“牧羊太空飛行器”將以大約每秒1.55英里(約合每秒2.5公里)的速度撞向月球。

角度：“人馬座”和“牧羊太空飛行器”將以相對於月球表面60度至70度左右的角度撞擊月表。

撞擊者重量：撞擊過程中，“半人馬座”的重量在最小4958磅(約合2249公斤)和最大5216磅(約合2366公斤)之間。名義上的撞擊重量為5081磅(約合2305公斤)。撞擊過程中，“牧羊太空飛行器”的重量在最小1369磅(約合621公斤)和最大1909磅(約合866公斤)之間。

撞擊規模：“半人馬座”撞擊將激起超過350公噸的月球物質，同時形成一個直徑達66英尺(約合20米)深度達13英尺(約合4米)的隕坑。“牧羊太空飛行器”估計將激起150公噸月球物質並形成一個直徑46英尺(約合14米)深6英尺(約合2米)的隕坑。

羽狀碎片高度：在“半人馬座”的羽狀碎片中，絕大多數物質將停留在距月表6.2英里(約合10公里)的高度。

目標隕坑：當前的目標隕坑是位於南極附近的一個永久性陰暗區隕坑。最終的目標隕坑將在撞擊前30天對外宣布。目標隕坑選在月球南極還是北極將在發射前敲定。

觀測活動：職業和業餘天文學家正積極與LCROSS科學團隊合作，協調LCROSS任務兩次撞擊的觀測活動。

撞月成功

2009年6月19日，“月球隕坑觀測和遙感衛星”(LCROSS)與“月球勘測軌道器”(LRO)一同從佛羅里達州卡納維拉爾角搭乘“阿特拉斯5”號火箭發射升空。

在進行撞月任務前10小時，“半人馬座”火箭與LCROSS分離。台北時間10月9日晚7時31分，“半人馬座”火箭首先撞向月球，地點選在位於常年不見陽光的月球南極的一個名為“Cabeus”的隕石坑。大約4分鐘後，LCROSS衛星接踵而至，向月球表面發起第二波撞擊。

儘管LCROSS衛星攜帶5台照相機和4個其他科學儀器，而且NASA此前曾在其網站上聲稱將傳回撞擊現場的照片，但結果並非如此。NASA工作人員表示，他們相信完成了撞擊，但衛星在撞擊前數秒鐘停止向地球傳送照片。

2009年印度“月船1號”探測器找到月球上存在水資源的證據。近日，國外科學家又通過該探測器和美國宇航局月球隕坑觀測與遙感衛星(LCROSS)，發現月球北極40多個隕石坑含有多達6億噸水。

坑底含約2米深的冰水物質

“月船1號”探測器搭載著美國宇航局研製的微型SAR雷達。該雷達探測了靠近月球北極的40多個隕坑，發現每個隕坑坑底都含有約2米深的冰水物質。全部加在一起，約有6億噸冰水。此外，月球隕坑觀測與遙感衛星通過碰撞月球隕坑也探測到水資源的存在。

美國宇航局資助的月球與行星研究所的斯巴蒂斯說：“目前為止，我們發現3種類型的月球水資源：微型SAR雷達的厚透鏡探測發現的隕坑冰；月球隕坑觀測與遙感衛星發現的冰晶和灰塵混合物；月球礦物繪圖儀(M3)發現的月球表面存在的薄冰層。”

暗隕坑中含水層有兩個

2009年10月9日，月球隕坑觀測與遙感衛星碰撞在月球南極寒冷的永久暗隕坑中，撞擊出冰水物質。此後科學小組對此次勘測數據進行了深入分析。

月球隕坑觀測與遙感衛星首席調查員安東尼·科拉普瑞特解釋說，分析結果顯示該隕坑含水土壤層至少有兩層，它們分屬於兩個不同時期。第一層是探測器碰撞隕坑的前兩秒噴濺出的物質，它們是包含在礦物質中的水和羥氫氧基分子，甚至還混合著微量的純淨冰。這個含水層非常薄，或許非常“新鮮”，可能是近期補充的水資源。這個含水層的發現與2009年月球礦物繪圖儀的發現不謀而合。當時該儀器在月球最表面的幾毫米厚土壤層中發現岩石和灰塵微粒中混合有少量水分子，雖然這些水分子含量較低，但分布範圍很廣泛。

第二個含水層則有些不一樣，其中不僅包含著更多的水，還混合著之前科學家未曾發現的化學物質。科拉普瑞特說：“目前我們發現其中包含著二氧化硫、甲醇以及稀少的丁二炔分子。這一含水層延伸至月球表面以下0.5米處，或許比我們在表面發現的冰物質層形成得更早。”

可把水資源轉化為火箭燃料

月球上發現大量水資源對人類的意義重大。水可以被分解為氫和氧，它們是火箭發射所需的燃料。如果能夠將隕坑中水資源轉化為火箭燃料，那么人類就可以把月球變成火箭發射基地。也許在不久的將來，人們就可以從月球向宇宙更深處發射探測器。

科學家指出，當前的觀測分析僅是冰山一角，相信未來我們還會揭示更多的月球真相。