月球水冰探測(cè)

賈瑛卓，覃 朗,2，徐 琳，馬 濤，楊 蔚，惠鶴九，嚴(yán) 俊，鄒永廖

（1. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家空間科學(xué)中心 空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100090；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 中國(guó)科學(xué)院 紫金山天文臺(tái)，南京 210033；4. 中國(guó)科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029；5. 南京大學(xué)，南京 210023；6. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家天文臺(tái)，北京 100012）

引 言

月球上的水根據(jù)賦存狀態(tài)可分為2種形式：一種是在月球兩極永久陰影區(qū)的水冰；另一種是指在月球物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中探測(cè)到的水，這可能對(duì)月球地質(zhì)演化過(guò)程起到了舉足輕重的作用。目前認(rèn)為月球水的來(lái)源主要是有3種形式[1-5]：月球內(nèi)部巖漿洋的水；彗星或隕石撞擊攜帶的水；太陽(yáng)風(fēng)質(zhì)子與月表含氧物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的水。其中，產(chǎn)生于太陽(yáng)風(fēng)質(zhì)子與月表含氧礦物之間相互作用的太陽(yáng)風(fēng)成因水，會(huì)受月表溫度變化發(fā)生遷移運(yùn)動(dòng)，部分最終在月球永久陰影區(qū)中保存下來(lái)[6-7]。月球內(nèi)部的水，與月球起源、巖漿洋演化、后期物質(zhì)加入等重大科學(xué)問(wèn)題直接相關(guān)。而探測(cè)月球極區(qū)永久陰影區(qū)水冰分布和來(lái)源，以及揮發(fā)分組成等，對(duì)于理解月球上揮發(fā)分遷移和滯留過(guò)程，以及太陽(yáng)系內(nèi)水的遷移過(guò)程有重要意義。

在月球兩極永久陰影區(qū)存在水冰的設(shè)想首先由美國(guó)科學(xué)家Watson等在1961年首次提出[8-9]：太陽(yáng)相對(duì)月球赤道平面的位置不超過(guò)1.6°，月球兩極一些撞擊坑的底部常年處于陰影狀態(tài)，水可能會(huì)以冰的形式保存下來(lái)，進(jìn)入宇宙的幾率很小，所以在月球兩極的撞擊坑中可能存在大量的水，形態(tài)可能為冰塵混合物。在月球形成的歷史上，還有大量的小行星和彗星撞擊月球，所帶入的水冰和有機(jī)揮發(fā)分物質(zhì)，可能有一部分被這些永久陰影區(qū)的巨大冷阱所捕集并保存下來(lái)[10]。同時(shí)月球永久陰影區(qū)水冰和在開采月球玄武巖中產(chǎn)生的副產(chǎn)品即水等，也是未來(lái)月球基地、載人探月活動(dòng)的重要戰(zhàn)略資源，如果能在月球上找到具有潛在利用價(jià)值的水，可降低月球基地的建設(shè)成本和復(fù)雜性，而且也可以作為未來(lái)深空探測(cè)的補(bǔ)給基地。但早期探測(cè)技術(shù)和“阿波羅”（Apollo）樣品實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)相對(duì)落后等原因，有關(guān)月球極區(qū)的水冰一直受到質(zhì)疑。

月球大撞擊成因理論，普遍認(rèn)為月球在形成過(guò)程中溫度非常高且活動(dòng)非常劇烈，在月表形成了一個(gè)全球性的巖漿洋[11-13]。在整個(gè)高溫過(guò)程中，一般認(rèn)為揮發(fā)分會(huì)大量丟失，水會(huì)全部丟失，即月球在巖漿洋階段基本是不含水的。巖漿洋結(jié)晶模型推測(cè)，早期月球即使含水，其含水量也小于10 ppm[14-15]；而在月球火山玻璃、磷灰石，以及橄欖石熔體包裹體中探測(cè)到的水，被認(rèn)為是在巖漿洋結(jié)晶之后，月球發(fā)生部分熔融時(shí)，由隕石、彗星以及太陽(yáng)風(fēng)注入到月球內(nèi)部的[14,16]。因此認(rèn)為月球是極“干”的，在物質(zhì)組成上應(yīng)具有明顯的貧水和揮發(fā)分的特征。

隨著空間探測(cè)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)室分析技術(shù)的快速發(fā)展，1994年“克萊門汀號(hào)”（Clementine）和1998年“月球勘探者號(hào)”（Lunar Prospector，LP）軌道探測(cè)器發(fā)射后，通過(guò)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)月壤中可能存在類似冰塊或冰層反射體[17]，在月球兩極通過(guò)中子譜儀探測(cè)到豐富的氫[18]，氫有可能是以水分子的形式存在，所以氫信號(hào)的強(qiáng)弱可以間接反映水含量的多少。近年來(lái)，科學(xué)家利用傅里葉變換紅外光譜測(cè)量了月球亞鐵斜長(zhǎng)巖中鈣長(zhǎng)石的水[14,19-20]，亞鐵斜長(zhǎng)巖一般被認(rèn)為是月球巖漿巖中直接結(jié)晶逸出的原始高地月殼的成分，也是月球古老高地中分布非常廣泛的一類巖石。這一發(fā)現(xiàn)首次證實(shí)了早期月球含水，對(duì)普遍接受的月球大撞擊成因理論提出了挑戰(zhàn)。L i等利用“印度月船1號(hào)”（Chandrayaan-1）搭載的光譜–礦物制圖儀（Moon Mineralogy Mapper，M3）測(cè)量月球永久陰影區(qū)水冰的反射光譜，通過(guò)判斷近紅外譜段吸收峰特征，給出了月球極區(qū)存在水冰的直接證據(jù)[21]。

目前，對(duì)于月球中水的來(lái)源并沒(méi)有定論。月球高地被認(rèn)為是由早期近乎熔融狀態(tài)的月球冷卻結(jié)晶形成的原始地殼，在月球高地的礦物質(zhì)顆粒中檢測(cè)到水分，意味著在冷卻成型之前的熔融階段，月球內(nèi)部就存在水分[2-3]。但是這些水何時(shí)以何種方式到達(dá)月球，小行星和彗星對(duì)這些水的相對(duì)貢獻(xiàn)是多少，這些問(wèn)題仍然沒(méi)有答案。月球水的氫同位素組成顯示月球內(nèi)部的水可以是月球形成時(shí)保留的巖漿水、月球形成后小行星和彗星的加入以及太陽(yáng)風(fēng)的注入[22]。根據(jù)樣本中氫與氮的數(shù)據(jù)分析，有一類富含水的小行星–碳質(zhì)球粒隕石，正是月球內(nèi)部水的主要來(lái)源，而彗星和小行星帶來(lái)的水只占月球總水量的20%[1]。但是晚期小行星加入引起的水含量增加，必須考慮其它元素和同位素的變化，特別是需要解釋地月物質(zhì)的同源性[11-13,23]。

在月球高地斜長(zhǎng)石中水的發(fā)現(xiàn)，以及月球永久陰影區(qū)水冰的發(fā)現(xiàn)，改變了人們對(duì)存在于月球中的水的看法，激發(fā)了對(duì)地月系統(tǒng)揮發(fā)分起源以及大撞擊形成的原始月球盤的物理化學(xué)條件的新一輪研究。而月球早期水的問(wèn)題，則涉及到月球科學(xué)中另一重大科學(xué)問(wèn)題，即月球的“干濕論”問(wèn)題。月球極區(qū)水冰是長(zhǎng)期保存下來(lái)的，這些水冰的位置分布、厚度、含冰量和揮發(fā)分組成等對(duì)我們理解月球上水和揮發(fā)分遷移和滯留過(guò)程有著重要的意義，記錄了月球演化過(guò)程的揮發(fā)分演變。準(zhǔn)確辨識(shí)月球水冰的來(lái)源是揭示月球“干”“濕”的重要線索[24-26]。

1 90年代以來(lái)月球水冰的探測(cè)與研究

從20世紀(jì)90年代開始的探測(cè)活動(dòng)中，針對(duì)月球永久陰影區(qū)是否有水冰這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了多項(xiàng)針對(duì)性的探測(cè)和研究，利用雷達(dá)、中子譜、光譜、撞擊實(shí)驗(yàn)等探測(cè)技術(shù)開展遙感探測(cè)，以及阿波羅返月樣品和月球隕石的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試分析研究。

雷達(dá)探測(cè)：1994年1月25日，美國(guó)發(fā)射了Clementine月球探測(cè)器，該探測(cè)器上搭載了一臺(tái)雙基地雷達(dá)。1994年4月，當(dāng)運(yùn)行到月球南極上空200 km高度，并與月球、地面接收站在一條直線上時(shí)，雷達(dá)回波出現(xiàn)異常，被認(rèn)為可能是永久陰影區(qū)存在水冰造成的[27]，探測(cè)結(jié)果如圖1所示。但是，這一解釋爭(zhēng)議很大，因?yàn)樵摶夭ó惓Ｒ部赡苁谴笕肷浣恰⒋植谠卤淼仍斐?。后續(xù)美國(guó)在2009年發(fā)射月球勘測(cè)軌道器（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO）搭載的Mini-RF[28-29]（Radio Frequency）和印度Chandrayaan-1搭載的Mini-SAR[30]（Synthetic Aperture Radar）都在月球極區(qū)發(fā)現(xiàn)了回波異常，但是對(duì)回波異常的解釋長(zhǎng)期存在爭(zhēng)議，無(wú)法確定其到底是水冰引起，還是粗糙月表造成的。

圖1 “克萊門汀”雷達(dá)探測(cè)結(jié)果，雷達(dá)回波數(shù)據(jù)顯示第234軌雷達(dá)回波數(shù)據(jù)異常[27]Fig. 1 Clementine radar detection results，radar echo data shows that the radar echo data in orbit 234 is abnormal[27]

全月球中子譜探測(cè)：美國(guó)在1998年發(fā)射的LP探測(cè)器上搭載了中子譜儀，通過(guò)探測(cè)氫的分布、尋找月球極區(qū)可能存在的水冰沉積區(qū)。中子譜儀在月球南北兩極檢測(cè)到了氫的信號(hào)，認(rèn)為其存在形式為水冰物質(zhì)，分布深度約為月表40 cm深處，兩極水冰總有效面積約為1 850 km2，儲(chǔ)量估計(jì)可多達(dá)3億t，推測(cè)這些水冰可能與月壤混合存在[18,31]，探測(cè)數(shù)據(jù)如圖2所示。這是首次獲得月球極區(qū)存在水冰的證據(jù)，太陽(yáng)風(fēng)成分中含有豐富的氫，因此月表物質(zhì)中的氫到底是以水冰、羥基還是其它含氫化合物的形式存在，尚無(wú)定論。LRO上搭載的低能中子探測(cè)器[32-33]，在月球撞擊坑內(nèi)的永久陰影區(qū)發(fā)現(xiàn)了氫，通過(guò)記錄中子計(jì)數(shù)探測(cè)到氫的含量，進(jìn)而證明水的存在。

紅外光譜探測(cè)：印度Chandrayaan-1搭載的M3對(duì)全月進(jìn)行光譜成像，發(fā)現(xiàn)在月球所有緯度上都在2.8～3.0 μm處存在吸收，指示水或羥基（OH）的存在，但羥基的可能性較大[34-35]。光譜探測(cè)只能感應(yīng)表面幾毫米，因此，該發(fā)現(xiàn)表明水應(yīng)該存在于月表數(shù)毫米厚的月塵內(nèi)，與月球礦物以結(jié)晶水的形式存在，只有這樣才能解釋為什么在白天溫度可以達(dá)到130 ℃左右且月球中低緯度地區(qū)也檢測(cè)到了2.8～3.0 μm的吸收。利用M3的最新數(shù)據(jù)研究表明，在月球南北極1.3 μm、1.5 μm和2.0 μm同時(shí)存在近紅外光譜吸收峰的地方可能存在水冰[21]，月球南北極可能存在水冰的分布區(qū)域如圖3所示。

圖2 “月球勘探者號(hào)”中子探測(cè)儀數(shù)據(jù)分析月球兩極氫含量分布[18]Fig. 2 Data from the lunar prospector neutron detector analyzed the distribution of hydrogen content at the lunar poles[18]

圖3 在月球北極（左）和南極（右）在年最高溫度下水冰的分布（綠色和青色的圓點(diǎn)）[21]Fig. 3 Distribution of water-ice-bearing pixels（green and cyan dots）overlain on the Diviner annual maximum temperature for the（left）northern and（right）southern polar regions

永久陰影區(qū)的撞擊實(shí)驗(yàn)：通過(guò)對(duì)月球南北極永久陰影區(qū)的撞擊，形成氣化云柱，然后對(duì)其進(jìn)行光譜觀察，以檢測(cè)水分子存在的信號(hào)。該實(shí)驗(yàn)總共進(jìn)行了3次：①LP任務(wù)結(jié)束之后，將其撞向月球南極的一個(gè)永久陰影區(qū)，然后利用地基望遠(yuǎn)鏡對(duì)該區(qū)域進(jìn)行觀察，但該次實(shí)驗(yàn)未能檢測(cè)到水分子的信號(hào)；②LRO上搭載的月球撞擊坑觀測(cè)與遙感衛(wèi)星LCROSS（Lunar CRater Observation and Sensing Satellite），后者經(jīng)過(guò)專門的設(shè)計(jì)主要是用于永久陰影區(qū)的撞擊實(shí)驗(yàn)，以探測(cè)水冰的存在[31，36-37]，結(jié)果如圖4所示，該撞擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，近紅外吸收光譜探測(cè)到由水蒸氣和冰的吸收峰，紫外輻射指示了羥基自由基（OH）的存在[38]，說(shuō)明氣化云柱中存在水，根據(jù)探測(cè)的結(jié)果，經(jīng)估算該永久陰影區(qū)的水冰含量可達(dá)5.6 ± 2.9 wt%[38]，如圖5所示，除水冰之外，該實(shí)驗(yàn)還檢測(cè)到其他一些揮發(fā)組分，包括輕碳?xì)浠衔?，含硫物質(zhì)和二氧化碳；③Chandrayaan-1搭載了一個(gè)月球撞擊體探測(cè)器（Moon Impact Probe，MIP），2008年11月14日，從100 km的軌道上，以自由落體的形式，撞擊月球南極沙克爾頓撞擊坑，同時(shí)Chandrayaan-1上的M3對(duì)撞擊區(qū)進(jìn)行探測(cè)，檢測(cè)到了月球表面2.8～3.0 μm的吸收特征，表明含OH或H2O的硅酸鹽存在，因而也進(jìn)一步證實(shí)永久陰影區(qū)中水的存在[30]。

圖4 LCROSS上的可見光相機(jī)拍攝，撞擊發(fā)生20 s后出現(xiàn)氣狀云柱[36]Fig. 4 Visible light camera on LCROSS shows a cloud of gas 20 s after impact[36]

綜上所述，雖然美國(guó)、日本、印度等分別實(shí)施了對(duì)月球永久陰影區(qū)水冰的探測(cè)，間接證明了水冰的存在。但是，這些實(shí)際上并未真正探測(cè)到水，對(duì)可能存在的水冰含量、分布以及來(lái)源等毫無(wú)認(rèn)識(shí)。由于遙感手段限制，目前探測(cè)月球是否存在水冰只能采用間接方式，無(wú)法直接檢測(cè)水分子的存在。因此，月球的“干”和“濕”之爭(zhēng)依然是月球科學(xué)的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，其早期揮發(fā)分含量、后期彗星和小行星的撞擊，以及太陽(yáng)風(fēng)的貢獻(xiàn)、遷移和保存機(jī)制等問(wèn)題都沒(méi)有得到解決，進(jìn)而無(wú)法對(duì)月球的起源和演化過(guò)程進(jìn)行較好的制約。要解決這些問(wèn)題，就需要對(duì)月球極區(qū)永久陰影區(qū)開展著陸就位探測(cè)，使用不同于以往的探測(cè)技術(shù)，確證月球永久陰影區(qū)是否存在水冰，并獲取其揮發(fā)分和H同位素組成。

圖5 LCROSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，藍(lán)色曲線為近紅外光譜儀光譜曲線[36]Fig. 5 The LCROSS observation data showed that the blue curve was the spectral curve of the near-infrared spectrometer and the red curve was the spectral model of the mixture of lunar soil and water ice

2 中國(guó)月球后續(xù)任務(wù)中水冰探測(cè)的科學(xué)任務(wù)

圍繞月球全球水冰探測(cè)，特別是月球兩極撞擊坑底部的永久陰影區(qū)水冰的賦存狀態(tài)、含量、分布特征及其來(lái)源的探測(cè)研究，我國(guó)的月球后續(xù)探測(cè)任務(wù)將開展：全月表水冰的遙感探測(cè)；月球兩極永久陰影區(qū)水冰的原位探測(cè)；月球返回樣品的實(shí)驗(yàn)室精確測(cè)量。

區(qū)塊鏈技術(shù)是一種利用去中心化共識(shí)的機(jī)制維護(hù)一個(gè)完整的、分布式的、不可篡改的賬本數(shù)據(jù)庫(kù)的技術(shù)，它能夠讓區(qū)塊鏈中的參與者在無(wú)需建立信任關(guān)系的前提下實(shí)現(xiàn)一個(gè)統(tǒng)一的賬本系統(tǒng)。近年來(lái)，區(qū)塊鏈以集成分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）傳輸、新型加密算法和共識(shí)機(jī)制等技術(shù)的特點(diǎn)，已越來(lái)越成為許多國(guó)家政府和國(guó)際組織研究討論的熱點(diǎn)，依靠互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)也紛紛加大了對(duì)其投入的力度[1]，但是目前全球還沒(méi)有政府大力推廣將該技術(shù)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的身份識(shí)別系統(tǒng)。

1）對(duì)全月表的水分布進(jìn)行遙感探測(cè)，構(gòu)建全月表水含量分布圖，對(duì)月表水含量分布進(jìn)行研究

利用微型合成孔徑雷達(dá)對(duì)全月表的水分布進(jìn)行遙感探測(cè)，并對(duì)月球極區(qū)著陸區(qū)附近的永久陰影區(qū)進(jìn)行高精度成像，識(shí)別可能的水冰存在形式和分布；利用中子譜儀，獲取全月球表面H元素的分布規(guī)律及其含量隨晝夜交替的變化，區(qū)分巖漿水和空間風(fēng)化作用水，研究太陽(yáng)風(fēng)與月表的相互作用，為月表?yè)]發(fā)分資源勘探提供重要線索；綜合微型合成孔徑雷達(dá)和中子譜儀的高空間分辨率和能量分辨率的數(shù)據(jù)，獲得對(duì)于月表水含量的高精度填圖，為月球資源利用和開采提供建議。

2）對(duì)月球兩極永久陰影區(qū)中的水冰含量進(jìn)行原位測(cè)量，并獲得水冰的氫同位素組成

利用水分子分析儀，在月球南極永久陰影區(qū)開展水冰和有機(jī)質(zhì)的就位探測(cè)，測(cè)定出H2O分子，并獲得水分子中H的同位素組成，提供月球水冰來(lái)源的直接證據(jù)，揭示月球南極永久陰影區(qū)中水冰和有機(jī)質(zhì)等揮發(fā)性組分的空間分布，評(píng)估永久陰影區(qū)中水冰的儲(chǔ)量。

3）月球返回樣品中揮發(fā)性元素的含量以及同位素組成的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量

利用高精度水及揮發(fā)分同位素分析技術(shù)，選取合適的月球樣品，并發(fā)展適合與樣品多元素分離的化學(xué)流程，通過(guò)對(duì)返回樣品中不同類型的月壤顆粒進(jìn)行紅外光譜、拉曼光譜、透射電鏡和納米離子探針等研究分析，精確測(cè)定樣品水和揮發(fā)分含量以及同位素組成，確定月球水及揮發(fā)分的分布和來(lái)源，獲得月球內(nèi)部水及揮發(fā)分的含量和同位素特征，加深對(duì)地月親緣性認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)月球的起源和巖漿演化過(guò)程。此外，可以結(jié)合不同的揮發(fā)分同位素體系來(lái)綜合判斷月球揮發(fā)分分布的整體變化，進(jìn)而完善對(duì)于月球起源以及后期巖漿演化的理解。

3 實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)需配置的有效載荷

就研究手段而言，現(xiàn)階段對(duì)月球水冰的探測(cè)主要是利用雷達(dá)數(shù)據(jù)、中子譜儀數(shù)據(jù)和對(duì)月球極區(qū)陰影區(qū)的地形分析進(jìn)行的。根據(jù)我國(guó)月球后續(xù)任務(wù)，圍繞月球全球水冰探測(cè)，特別是月球兩極撞擊坑底部的永久陰影區(qū)水冰的賦存狀態(tài)、含量、分布特征及其來(lái)源的探測(cè)研究，擬配置3臺(tái)科學(xué)有效載荷。在環(huán)月軌道器上配置中子譜儀和微型合成孔徑雷達(dá)，獲取全月面特別是南極永久陰影區(qū)水冰的分布和含量情況；在飛躍探測(cè)器上配置水分子分析儀，獲取飛躍探測(cè)器著陸點(diǎn)的水分子精確探測(cè)數(shù)據(jù)，研究水的來(lái)源。

3.1 水分子分析儀探測(cè)任務(wù)和主要功能要求

功能要求：通過(guò)探測(cè)月球南極永久陰影區(qū)月壤水冰及其含量，為直接確認(rèn)月球南極永久陰影區(qū)中存在水冰及其來(lái)源的研究提供科學(xué)依據(jù)。具備H2O分子和甲烷等有機(jī)分子的測(cè)定及其H同位素組成的分析功能，以及多次樣品就位采集分析功能。

3.2 中子譜儀探測(cè)任務(wù)和主要功能要求

中子探測(cè)器是利用中子與探測(cè)器材料發(fā)生核反應(yīng)，在探測(cè)器內(nèi)沉積一定特征能量，并最終轉(zhuǎn)化為光子，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換形成脈沖，并根據(jù)脈沖幅度統(tǒng)計(jì)相同幅度脈沖的數(shù)量，形成脈沖幅度譜，根據(jù)譜中特征峰的計(jì)數(shù)得到中子的流量，從而探測(cè)月面中子流強(qiáng)，利用環(huán)月軌道器星下點(diǎn)經(jīng)緯度信息，對(duì)同一像元區(qū)域內(nèi)的中子流強(qiáng)度分別統(tǒng)計(jì)，得到全月面的中子流量強(qiáng)度分布信息。

利用中子探測(cè)器測(cè)量月表次表層的水氫分布是一種有效的手段。由于LP的中子譜儀空間分辨為45 km，不能完全區(qū)分南極典型陰影區(qū)坑內(nèi)外的水氫中子信號(hào)，需要更高空間分辨的中子探測(cè)器。中子譜儀的探測(cè)靈敏度可以達(dá)到幾十個(gè)ppm的水氫含量，其空間分辨和軌道高度直接相關(guān)，將星下像元直徑作為空間分辨，一個(gè)像元直徑是軌道高度的1.5倍，如果軌道器在環(huán)月15 km軌道飛行，則中子譜儀的空間分辨大約為22.5 km，而典型的南極陰影區(qū)直徑均大于或接近該像元直徑，因此可以實(shí)現(xiàn)這些陰影區(qū)內(nèi)外的良好分辨。通過(guò)高空間分辨和高靈敏探測(cè)，可以在月球南極陰影區(qū)水氫分布問(wèn)題上取得突破。

功能要求：通過(guò)開展全月面特別是極區(qū)陰影區(qū)快中子和熱中子探測(cè)，獲取高空間分辨率的次表層氫分布以及含量，為研究月面水（冰）分布特征提供科學(xué)依據(jù)。具備獲取月面快中子、超熱中子、熱中子通量的能力。

3.3 微型合成孔徑雷達(dá)功能要求和主要技術(shù)指標(biāo)

微型合成孔徑雷達(dá)采用脈沖體制發(fā)射信號(hào)，線性調(diào)頻基帶信號(hào)被載頻調(diào)制后通過(guò)天線發(fā)射出去，雷達(dá)波照射到目標(biāo)并反射后，雷達(dá)接收回波然后下變頻解調(diào)并數(shù)字化采樣與存儲(chǔ)。根據(jù)SAR成像理論，其對(duì)理想點(diǎn)目標(biāo)的成像結(jié)果可以近似為一個(gè)兩維sinc函數(shù)，圖像幾何分辨率指標(biāo)定義為點(diǎn)目標(biāo)成像結(jié)果的半功率主瓣寬度，該指標(biāo)反映了雷達(dá)對(duì)目標(biāo)成像的精細(xì)程度。微型合成孔徑雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)的分辨率最高達(dá)1 m且為SAR載荷的常規(guī)工作模式，能夠探測(cè)月球表面細(xì)部特征。

月球兩極永久陰影區(qū)常年處于低溫?zé)o光照的狀態(tài)，因此利用光學(xué)相機(jī)無(wú)法對(duì)永久陰影區(qū)進(jìn)行成像觀測(cè)。目前國(guó)際上采用SAR載荷進(jìn)行月球探測(cè)的只有印度的“月船1號(hào)”“月船2號(hào)”和美國(guó)的LRO，但是由于受到極化能力限制，無(wú)法剔除石塊對(duì)圓極化比參數(shù)反演的影響，使得水冰探測(cè)的分析結(jié)果一直備受質(zhì)疑。微型合成孔徑雷達(dá)采用有源相控陣天線體制，可實(shí)現(xiàn)多角度、多極化成像，提升目標(biāo)精細(xì)識(shí)別能力，有望在極區(qū)永久陰影區(qū)水冰方面取得突破。

功能要求：獲取月面特別是南極永久性陰影區(qū)高精度地形地貌；獲得目標(biāo)的不同極化組合下的圖像，具備目標(biāo)分類識(shí)別能力，特別是探測(cè)月球陰影區(qū)域月面土壤水冰的信息；獲取南極–艾特肯盆地高精度圖像，分析月球南極–艾特肯盆地撞擊濺射沉積建造特征。

4 結(jié) 論

月球上的水冰是國(guó)際月球探測(cè)熱點(diǎn)，也是未來(lái)重要的戰(zhàn)略資源；月球水的分布和來(lái)源是亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。本文在調(diào)研月球水冰探測(cè)與研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，研究分析了月球中的水所涉及的相關(guān)科學(xué)難題及重大科學(xué)意義，論證提出了我國(guó)后續(xù)月球探測(cè)工程對(duì)月球水（冰）探測(cè)和研究的科學(xué)探測(cè)任務(wù)，提出了實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)的有效載荷需求，特別是其主要的探測(cè)功能及對(duì)應(yīng)的科學(xué)有效載荷探測(cè)方案。