第43卷第2期航天返回与遥感
2022年4月SPACECRAFT RECOVERY & REMOTE SENSING127
张家铭闫赟彬
（北京空间机电研究所，北京100094）
摘要针对美国Artemis初期探月计划，文章介绍了卫星和载荷的相关情况，重点对LunaH-Map 和Lunar IceCube进行了详细研究，给出了其科学目标任务、轨道、载荷性能等。研究表明，美国Artemis 初期探测主要针对月球极地的水冰分布，描绘月球地形地貌，为后续的载人登月和建立地月空间站以及更进一步的深空探测打下基础。 关键词月球探测“阿尔忒弥斯”计划月球的水冰深空探测
中图分类号: V443+.5文献标志码: A 文章编号: 1009-8518(2022)02-0127-07
DOI: 10.3969/j.issn.1009-8518.2022.02.013
The Progress of NASAʹs Artemis Lunar Exploration Program
ZHANG Jiaming YAN Yunbin
（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）
Abstract Aiming at the initial lunar exploration plan of American Artemis, this paper introduces the relevant situation of satellites and loads, focuses on the detailed study of LunaH-Map and Lunar IceCube, and gives its scientific objectives, tasks, orbits, load performance, etc. The research shows that the initial exploration of American Artemis is mainly aimed at the distribution of water ice in the lunar polar region, depicting the topography of the moon, and laying a foundation for subsequent manned lunar landing, the establishment of Earth-Moon space station and further deep space exploration.
Keywords lunar exploration; Artemis plan; water-ice on the moon; deep space exploration
0 引言
月球作为地球的天然卫星亦为深空探测的第一个“跳板”，对研究太阳系的起源及演化有着极其深远的意义。自1958年月球探测任务大量开展以来，数十年的月球探索已证实，在月球两极周围的某些区域存在
丰富的矿产资源、可再生资源及冰水资源，不仅使我们对月球的认识更加成熟，亦可对月球基地建设或太阳系探索提供强有力的支撑[1]。
月球探测方式可分为无人探测和载人登月探测两大类。无人探测由卫星载荷探测、着陆器和月球车等探测方式组成。卫星载荷以某特定轨道绕月球运行，所搭载的光学相机、光谱仪和激光高度计等科学仪器对月球进行宏观的全球性探测[2]。着陆器在选定的具有科学意义和工程安全性的区域进行着陆和巡视探测，获取更精细的就位探测结果，并为轨道器数据标定和验证提供参考数据，进一步还可采样返回
收稿日期：2022-03-15
引用格式：张家铭, 闫赟彬. 美国宇航局“Artemis”月球探测计划新进展[J]. 航天返回与遥感, 2022, 43(2): 127-133.
ZHANG Jiaming, YAN Yunbin. The Progress of NASAʹs Artemis Lunar Exploration Program[J]. Spacecraft
128航天返回与遥感2022年第43卷
地球。由于载人登月巨大的技术风险和经费开支，无人探测模式目前仍然是月球探测的主要方式。
本文对2022年将要发射的几款美国宇航局（NASA）“阿尔忒弥斯”（Artemis）月球探测卫星，做深入调研并进行详细阐述[3]。
1 月球极地氢气绘图仪LunaH-Map
（1）卫星综述
月球极地氢浓度绘图仪（LunaH-Map）是NASA“阿尔忒弥斯”月球探测计划之一，是NASA科学任务理事会于2015年末提出的小型科学创新任务计划[3]。该任务主要瞄准月球极地地区的永久阴影区（Permanently Shadowed Regions，PSR），确定月球南极地区和一些受关注PSR的氢浓度。通过对氢浓度分布的分析可以了解水冰的形态和分布结构，解答月球的地质演变，不仅为未来月球极地着陆任务提供信息，还可以为太阳系其他行星PSR
的研究提供借鉴（如水星存在大量类似的
PSR）[4]。
以前的月球卫星载荷通常在距离月球几十到几百千米的
高度运行，虽然揭开了月球极地的面纱，但分辨率不够高，无
法确定PSR下的陨石坑内的氢气浓度分布[5]。LunaH-Map是一
款体积为10cm×20cm×30cm、质量为14千克的小型卫星，由
一个90W的太阳能电池板、微型中子谱仪和一个新型探测器组
成，并在距月球5~15km的高度探测，具有极高的中子探测能力，
可以实现月球极地氢浓度的绘制。其具体结构如图1所示[6]。
（2）轨道简介
为了保障LunaH-Map顺利到达最终的月球轨道，进而实现任务目标，将整个过程划分为三个主要阶段：地-月转移阶段、月球轨道过渡阶段和科学探测阶段。
地-月转移阶段开始于月球卫星LunaH-Map部署在NASA的太空发射系统（Space Launch System，SLS）的Artemis-1上（距离地球约7万千米），从中间低温推进级（Interim Cryogenic Propulsion Stage，ICPS）分离后进入巡航阶段，其轨道如图2所示[7]。LunaH-Map（轨迹为图中青所示）利用第一次飞掠月球，使其处于弱捕获状态，并准备进入月球轨道（月球在该阶段的轨迹以灰显示）。
LunaH-Map进入弱捕获状态后便进入到月球轨道过渡阶段，进行一系列机动以确保在月球轨道上稳定运行，几个月之后进入最终的科学探测轨道。其轨道如图3所示，其中低推力机动段用红表示，其他颜均是不发生机动的滑行阶段[7]。
图2 地-月转移阶段示意图图3 过度阶段示意图
Fig.2 Schematic diagram of Earth Moon transfer stage Fig.3 Schematic diagram of transition stage
图1 LunaH-Map整星结构图
Fig.1 The Structure diagram of LunaH-Map
第2期张家铭等: 美国宇航局“Artemis”月球探测计划新进展 129
科学探测轨道为椭圆形轨道，近月位置在月球南极上方约5~25km，远月时进行轨道调整，整个探测周期为46天。具体轨道如图4所示[7]。
图4 科学探测阶段示意图
Fig.4 Schematic diagram of scientific exploration stage
（3）载荷概述
在系外探测领域，微型中子谱仪（Miniature Neutron Spectrometer，Mini-NS）是第一个使用CLYC(Cs2LiYCI6:Ce)晶体作为探测器的，CLYC是一种钾冰晶石用于中子探测的无机荧光材料，当与氢有关的中子在其结构内相互作用时，晶体会产生轻微的荧光，经光电倍增管、信号放大器等将荧光转化成中子数量，尤其对热中子（＞0.4eV）的探测效率最高可达80％。由于载荷在距月球南极地表面距离约为15km轨道上，因此能够清晰绘制出全视场范围内的氢分布[8]。
LunaH-Map所搭载的载荷为Mini-NS，视场角为5°、体积为25cm×10cm×8cm、质量为3.4kg、工作时耗电量为9.6W（待机状态下为3.6W）。探测器选用CLYC晶体，并配有一个钆屏蔽层（屏蔽掉与其它原子相关的干扰中子）从而提高整个中子谱仪的信噪比。该微型中子谱仪有两个探测器，每个探测器由4个CLYC晶体组成，受温度影响每个晶体都会存在收缩状态和膨胀状态，因此晶体间需预留出空隙[9]，每个CLYC探测器的尺寸为4cm×6.3cm×2cm。光电倍增管的一段放置在探测器的窗口位置，另一端放置在一个角落，与信号放大器相连接。Mini-NS的结构如图5所示。
（a）机械结构图（b）探测器模块（c）实物图
（a）Mechanical structure （b）Detector modules （c）Physical map
图5 Mini-NS结构图
Fig.5 Structure of the Mini-NS
130 航 天 返 回 与 遥 感 2022年第43卷
2 月球冰立方探测器Lunar IceCube
（1）卫星综述
月球冰立方探测器（Lunar IceCube ）是美国宇航局“阿尔忒弥斯”月球探测计划之一，旨在探测、定位和测量月球上水冰沉积物和其他挥发物的体积和组成，为今后探月工程和月球极地建设任务提供帮助。该任务的科学目标是：①对月球风化层中挥发性物质的组成和分布进行光谱测定；②探测水、氢氧基和冰在整个昼夜交替内的关系。通过对光谱数据的分析，有助于理解月球的外部源、内部源、太阳风质子和微陨石轰击在形成、捕获、水当中的作用[10]。
Lunar IceCube 是一个6U 立方体卫星，大约
10cm×20cm×30cm 大小，质量大约是14kg ，有两个可
展开的太阳能电池板，提供120W 的连续电力。通信
是通过Iris X 波段无线电系统和双贴片天线的UHF 信
标进行的。宇宙飞船将携带一个科学探测载荷——宽带
红外紧凑型高分辨率光谱仪。其卫星结构如图6所示。
（2）轨道简介
Lunar IceCube 计划于2022年初发射，将与
LunaH-Map 一起部署在SLS 的Artemis 1上。从中间
低温推进级分离出来后将执行一系列轨道修正机动，
以适当的姿态飞掠月球，将其带到距离地面100万千
米远的地方后再返回到地月系统，让月球在一个弱稳
定的轨道上捕获航天器。最后Lunar IceCube 盘旋下
降，进入稳定的科学探测轨道[10]。 主要阶段包括：①部署和早期操作阶段（≤7天）；②巡航阶段（约180天）；③月球轨道弱捕获阶段（21天）；④科学任务探测阶段（180天）。其具体阶段如图7所示[4]。
图7 Lunar IceCube 运行阶段
Fig.7
Lunar IceCube concept of operations
图6 Lunar IceCube 卫星 Fig.6 The satellite of Lunar IceCube
第2期张家铭等: 美国宇航局“Artemis”月球探测计划新进展 131（3）载荷概述
Lunar IceCube所搭载的科学探测载荷为宽带红外紧凑型高分辨率光谱仪（BIRCHES），其大小为1.5U，质量3.2kg，其低温制冷型碲镉汞红外探测器具有100万像素，信噪比＞400，在光谱范围1∼4µm 内具有10nm的光谱分辨率。BIRCHES可通过一个线性可变滤波器来分辨矿物和重要的挥发性物质，如水、二氧化碳、甲烷等[11]。该光谱仪配有自动可调节光圈，可随轨道高度的不同，在月球表面保持相同的光斑形状，或根据特定需要在某一高度下改变光斑大小（最高可变化5倍）。
在紧凑的、简单的、多功能的、低成本的空间光谱仪中，BIRCHES具有代表性，其大面阵红外探测器结合了非散薄膜滤光片，与传统的光栅、棱镜、傅里叶光谱仪以及机械可调节滤波器相比，在机械的复杂性和体积上大大降低[12]。为了满足需求，BIRCHES还配备了紧凑型光学系统、微型制冷机、具有灵活架构的紧凑型探测器电子接口。其结构模型如图8所示[13]。
3 “阿尔忒弥斯”月球探测计划其它卫星载荷
（1）月球红外成像仪（LunlR）
月球红外成像仪（LunlR），原名SkyFire，是一颗体积为10cm×20cm×30cm，总质量约为14kg的卫星，配有可展开的太阳能电池板机翼发电。它携带的主要科学探测仪器是一个微型中波红外（MWIR）传感器并配备一个微型制冷机[14]。其目的为执行月球飞掠，进行深空技术测试、解决月球表面特征、遥感和选址观测的战略知识缺口（Strategic Knowledge Gaps，SKGs），以及长期火星任务的SKGs。该任务的主要目标是收集数据，以降低未来载人任务的风险。其卫星结构如图9所示。
图8 BIRCHES结构模型图9 LunlR整星结构图Fig.8 Structure of the BIRCHES Fig.9 The satellite of Lunar LunIR （2）月球照明灯（Lunar Flashlight）
月球照明灯（Lunar Flashlight）是一颗体积为
12cm×24cm×36cm的卫星，与LunaH-Map和Lunar IceCube
一样，主要探测极地PSR的水冰并绘制其所在月球南极地区
的具体位置。其整星的结构如图10所示[15]。
由于阳光几乎不会照射到PSR的表面，因此Lunar
Flashlight自身带有一个有源激光照明系统和一个多波段光
学接收器来测量PSR的表面反射率[16]。照明系统采用多个激
光二极管叠加发射四个离散波长的能量脉冲，从而使接收器
图10 Lunar Flashlight整星结构图
Fig.10 The satellite of Lunar Flashligh
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