探秘登月著陸點

文/天 星

選址標準

正確選擇登月著陸點是登月計劃中的關(guān)鍵一環(huán)，它直接決定著整個載人登月任務(wù)的成功與否。由于月表的惡劣天氣狀況以及復雜的地形情況，登月著陸點的選址需考慮多方面的因素，結(jié)合照明條件、地形坡度、與地球通信的難易程度、太空發(fā)射系統(tǒng)火箭運行狀況等來作出選擇。具體而言，月球著陸點選址應(yīng)滿足5個標準：一是水源豐富，擁有水冰資源。這些水冰不僅可以支持未來人類月球基地對用水的需求，還可以通過電解提取氫氣和氧氣，為火箭發(fā)動機提供燃料。二是地理條件優(yōu)越，陽光照射時間長，月地通信位置佳。三是地形地貌平坦，著陸器起降安全，通信順暢，運輸作業(yè)條件良好。四是資源豐富，蘊藏氧氣、氧化鐵等各種礦物，為未來建設(shè)月球基地提供資源。五是存在大量不同類型的自然物體，有利于開展科學探測任務(wù)。

選址范圍

未來，登月著陸點附近將建造月球基地，因此選址位置與月球基地的實際需求緊密相關(guān)。一般而言，選址范圍可分為三類，即極地地區(qū)、赤道地區(qū)和月球正面或背面的平原地區(qū)。

月球表面地貌

月球極地地區(qū)具有獨特優(yōu)勢，該地區(qū)的一些隕石坑和陰影區(qū)域內(nèi)存在豐富的水冰和水源。利用水冰等資源可以給氫燃料電池充電，從而確保在黑夜、月食期間，或在任何影響太陽能收集的事件或故障的情況下，擁有足夠的儲備能源來維持月球基地的正常運轉(zhuǎn)。美國“克萊門汀號”月球探測器的雷達掃描表明，月球南極周圍存在水冰。2008 年，“月球勘探者”探測器報告，月球南極的氫豐度增強，而月球北極的氫豐度更高。美國宇航局計劃于2025年前發(fā)射“阿爾忒彌斯3 號”飛船，宇航員極有可能在月球南極登陸。此外，月球的自轉(zhuǎn)軸幾乎垂直于黃道面，且月球極地圈的半徑小于50 千米，因此極地地區(qū)內(nèi)的陽光照射時間長，使得通過太陽能為通信站等設(shè)備供電成為可能。只有在月食期間，極地地區(qū)才無法獲取太陽能，但月食時間相對短暫，而且是可預測的。

月球運行緩慢，相應(yīng)的赤道軌道與黃道面重合，與環(huán)繞地球的月球軌道幾乎重合，與地球赤道面也幾乎重合。月球赤道附近富含“氦-3”，可就地開采精煉。而且，由于太陽風具有更大的入射角，月球赤道地區(qū)的“氦-3”濃度可能比預計的更高。

在月球正面可與地球直接通信，若在L2 拉格朗日點部署通信衛(wèi)星，或建設(shè)月球衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，就可以實現(xiàn)月球與地球之間的全時空通信。而月球背面則可以屏蔽地球信號，對于大型射電望遠鏡來說，月球背面可成為一個絕佳的架設(shè)位置。而且月球上沒有大氣層干擾，這個位置也適合通過光學望遠鏡觀測太空和宇宙。此外，月球正面可以找到含有鈦基的礦物，而月球背面的平原地區(qū)可以找到濃度最高的“氦-3”。

最佳選址

為成功實施登月計劃，我國科學家共選取了10 余個月球著陸點作為備選方案，并進一步優(yōu)選了以下4個隕石坑或山峰附近的地點。

沙克爾頓隕石坑

沙克爾頓隕石坑是位于月球南極艾特肯盆地的一個撞擊坑，坐標為南緯89.9 度、東經(jīng)0 度，直徑約21.0千米，深度約4.2 千米，日出時陽光照射角度為0 度。沙克爾頓隕石坑的地質(zhì)年齡約36 億年，至少在月球南極附近存在了20 億年。1994 年，國際天文聯(lián)盟將這個隕石坑以英國的南極探險家歐內(nèi)斯特·沙克爾頓的名字命名。

日本“賽琳娜號”探測器的地形相機拍攝了沙克爾頓隕石坑的照片。該地形相機利用隕石坑邊緣的光照反射進行地形測量。測量結(jié)果顯示，沙克爾頓隕石坑中心峰高度約200米，而隕石坑內(nèi)部由一個對稱的30°坡度組成，直徑為6.6 千米。隕石坑內(nèi)部跨度不超過幾百米，其底部覆蓋著一個不均勻的丘狀特征，厚度為300～400 米。

沙克爾頓隕石坑的地球雷達圖像

沙克爾頓隕石坑邊緣的山峰持續(xù)暴露在陽光下，每月暴露在陽光下的時間占80%至90%。它們被稱為“永恒照亮的高峰”。隕石坑內(nèi)部則長期處于陰影中，坑內(nèi)溫度不高于-173℃，底部達到-185℃。內(nèi)部低溫起著冷阱的作用，它可以捕獲并凍結(jié)彗星撞擊月球時釋放的揮發(fā)物和水分。“探月者號”探測器的測量顯示，隕石坑內(nèi)的氫含量高于正常水平，這表明這里可能存在水冰。

沙克爾頓隕石坑也被提議作為未來大型紅外望遠鏡的觀測點。隕石坑底部的低溫提供了紅外觀測的理想條件，而隕石坑邊緣放置的太陽能帆板或發(fā)電站可以為天文臺提供近乎連續(xù)的能量。

我國的第一個登月著陸點很有可能選擇在沙克爾頓隕石坑附近，并在這里建設(shè)第一個月球基地。這個位置具備可靠性、安全性和可持續(xù)性，有利于為首批月球居民提供必要的基本生活保障。

馬拉珀特隕石坑

馬拉珀特隕石坑位于月球南部，坐標為南緯84.9度、東經(jīng)12.9度，直徑約69 千米，深度未知，日出時陽光照射角度為利于陽光照射的0 度。這個隕石坑以16 世紀的比利時天文學家、宇宙學家查爾斯·馬拉珀特的名字命名。馬拉珀特隕石坑的邊緣周圍形成了一個不規(guī)則的山峰環(huán)，邊緣的西側(cè)多撞擊坑，而東南邊緣則分布了一些小隕石坑，地質(zhì)特征豐富多樣。

馬拉珀特隕石坑的邊緣西南部形成了一條東西走向的隆起山脈，這條山脈被命名為“馬拉珀特山”。馬拉珀特山坐標為南緯85.75 度、東經(jīng)2 度，海拔約5000 米，從山腳到山頂?shù)拇怪本嚯x可能高達8000 米。馬拉珀特山非常古老，風化層發(fā)育良好。而且，馬拉珀特山大部分時間都暴露在陽光下，號稱“永恒陽光之峰”。如果在這里安裝兩個緊密排列的太陽能電池陣列，將獲得幾乎連續(xù)的電力。馬拉珀特山緊鄰馬拉珀特隕石坑，距離沙克爾頓隕石坑約116千米，這意味著它可以為這兩個隕石坑提供電力和通信。得益于馬拉珀特山得天獨厚的優(yōu)勢，國際月球觀測站（ILO-1）計劃建造在這里，并計劃將用于觀測的光學望遠鏡安置在馬拉珀特山的山脊上。

馬拉珀特山

馬拉珀特山上的地月通信設(shè)備

2023 年第3 季度，美國宇航局將發(fā)射“直覺一號”探測器，它的科學目標是在馬拉珀特隕石坑邊緣放置著陸器。由于位置極佳，我國的第一個月球著陸點和月球基地也將考慮選擇在馬拉珀特隕石坑附近，這里亦可作為我國月球南極探險隊返回地球的發(fā)射場。

皮爾隕石坑

皮爾隕石坑是距離月球北極最近的大型撞擊坑。皮爾隕石坑的坐標為北緯88.63 度、東經(jīng)24.4 度，直徑約79 千米，深度約1.5 千米，日出時陽光照射角度為25°。因為皮爾隕石坑坐落于月球北極附近，所以它以美國早期北極探險家、海軍軍官羅伯特·皮爾的名字命名。在這個緯度上，隕石坑內(nèi)部所能照射到的陽光很少，而隕石坑底部最南端的部分區(qū)域可永久地籠罩在陰影中。

美國月球探測器搭載的激光測高儀拍攝的陰影地形圖：皮爾隕石坑（中心），北極位于它的北（上）部

美國“月球軌道器4 號”飛行器拍攝月球并發(fā)回第一批清晰圖像后，皮爾隕石坑的真實面目才得以揭曉。皮爾隕石坑幾乎呈圓形，沿著東北邊緣向外微微凸出。在西南邊緣有一個缺口，在那里與比它稍小的弗洛里隕石坑相連。皮爾隕石坑的外緣已經(jīng)磨損和侵蝕，形成了一個崎嶇的山環(huán)，在隕石坑底部投射出長長的陰影。皮爾隕石坑底部相對平坦，但仍有幾個小隕石坑，特別是在東南部分。隕石坑內(nèi)部南端三分之一的部分都隱藏在陰影中。因此，只有通過激光測高測距方法，才能較準確地辨別出它的內(nèi)部地貌特征。皮爾隕石坑底部是太陽系最冷的地方之一，其平均溫度為-243℃～-233℃。皮爾隕石坑的內(nèi)部也可能有氫氣氣體沉積。

美國“克萊門汀號”月球探測器在月球北半球夏季拍攝的圖像顯示，除月食期間外，皮爾隕石坑外部邊緣的4個山區(qū)在這一時間段內(nèi)持續(xù)受到陽光照射，這與月球極微小的軸向傾斜有關(guān)。月球探測器收集了更詳細的月球地形信息，除了皮爾隕石坑，月球上沒有任何地點在冬季或夏季能持續(xù)不斷地接收到陽光照射。

皮爾隕石坑北部被認為是未來登月著陸點及建立月球基地的最佳地點之一。因為這里在一段時間內(nèi)近乎恒定的光照，可以提供相對穩(wěn)定的溫度和幾乎不間斷的太陽能。同時，皮爾隕石坑內(nèi)部的永久陰影區(qū)域中可能含有一定數(shù)量的冷凍水，這也是它的優(yōu)勢條件之一。

惠普爾隕石坑

惠普爾隕石坑靠近月球北極，位于伯德隕石坑和皮爾隕石坑的東部，坐標為北緯89.1 度、東經(jīng)118.2 度，直徑約15.7 千米，深度3.1 千米。2009 年，國際天文學聯(lián)合會以美國天文學家弗雷德·勞倫斯·惠普爾的名字命名了它。

惠普爾隕石坑永遠不受陽光照射，因此該隕石坑內(nèi)常年保持著極度低溫，溫度通常不高于-170℃。若揮發(fā)性原子和分子（如水分子）進入隕石坑中，會因隕石坑內(nèi)普遍存在的極冷氣溫條件而被凍結(jié)，且能在極長的時間內(nèi)保持凍結(jié)和穩(wěn)定，甚至可達數(shù)十億年。此外，惠普爾隕石坑的雷達反射特征很高，這表明該隕石坑內(nèi)存在著至少2 米厚的相對純凈的冰沉積物，它們可能已與風化層混合，也可能呈層狀分布。這些冰沉積物實際是由水、液態(tài)氫和液態(tài)氧構(gòu)成的，后兩種物質(zhì)也是制作火箭推進劑燃料的主要原料。

此外，惠普爾隕石坑毗鄰一個準永久性陽光照射的大型高原。在這個大型高原上，全年平均80%的時間可見陽光。按照月球的氣象標準，這種準永久性陽光照射區(qū)域的溫度條件相當溫和，平均約為-50℃，上下浮動10℃。這種永久性陰影隕石坑毗鄰準永久性陽光高原的組合，在月球北極地區(qū)是獨一無二的，為后續(xù)的科考活動提供了良好的自然條件。

惠普爾隕石坑

那么，我國第一個登月著陸點最終會選在哪里呢？請大家拭目以待！