作者：肖福根

3.1  前苏联月球探测任务的实施概况

    在苏联开展月球探测20多年的时间里，载人登月除外，苏联创造了许多个“第一”：

（1）Luna-1第一次从月球身边擦肩而过；

（2）Luna-2第一次撞击月球；

（3）Luna-3第一次对月球远侧进行拍照；

（4）Luna-9第一次在月球上软着陆；

（5）Luna-10第一颗月球卫星；

（6）Luna-13第一次对月球土壤进行化学和力学特性分析；

（7）Luna-16第一次从月球上自动采样返回；

（8）Luna-17第一次在月面上行走并进行探测。

3.1.1  Luna-1

Luna-1未经地球轨道转移直接进入月球轨道。Luna-1发射后约34个小时在5000-6000km高度飞越月球，之后进入一个450天的太阳轨道，成为第一颗太阳轨道卫星。经过62小时飞行后在离地球597000km高度上与Luna-1的通信终止。

Luna-1直径为120cm、重量361.3kg，其构型为球形。对其充压至1.3个大气压，并保存在约20°C温度下，温度控制是通过一个内部气体强迫循环系统，把科学仪器产生的热量传输到Luna-1外表面并向空间辐射。所有的仪器和无线电发射机/接收机由Luna-1的化学蓄电池充电。

为了完成一系列的飞行实验，在Luna-1上安装如下一些仪器设备：

（1）火箭飞行轨迹无线电控制设备：包括发射机（工作频率为183.6Mhz）和接收机模块（receiver block）；

（2）无线电发射机：工作频率为19.993 Mhz；

（3）遥测模块：通过无线电系统把容器内的压力、温度以及研究数据发回到地球；

（4）用于行星际物质的气体组分研究和太阳微粒子辐射研究的设备；

（5）用于测量地球磁场和探测月球磁场的仪器；

（6）用于微流星体粒子研究的设备；

（7）用于记录（或测量）宇宙辐射的重核的仪器；

（8）用于记录（或测量）宇宙射线的强度及其变化、宇宙辐射光子的仪器。

用一个型号为SG-50的磁强计来测量磁场，把该磁强计放置在Luna-1的中心杆上，该中心杆可从Luna-1的一端伸出去1米，实验测试的结果表明当Luna-1离开地球时其磁场迅速下降，而月球的磁场水平很低。用一个0.2m²磷铵压电探测器来记录月球空间的微流星体,记录的数据有3个分布范围：2.5´10^-9~1.5´10^-8g，1.5´10^-8~2´10^-7g，大于2´10^-7g。两个气体放电计数器、一个闪烁计数器和一些离子捕获阱用以测量粒子通量。

火箭A-1的第三级和末级随着Luna-1向月球飞行，末级也携带了科学仪器。在Luna-1上的主要实验是在离地球113000km高度上把1kg钠蒸发以形成100km长的可见云。该实验在Luna-2任务期间也进行过。Luna-1末级火箭也携带了仪器，用来测量火箭蒙皮温度和宇宙射线强度。

3.1.2  Luna-2

1959年9月12日，苏联发射了Luna-2，未经地球转移轨道直接进入通往月球的轨道，于9月14日，与月面水平成60°角以3.3km/s速度飞行向月球撞击，撞击点为月面30°北、0°经度，撞击时扬起了巨大的月球尘云。

Luna-2重量为390.2kg，其构型与Luna-1相同，稍有不同之处是为了高灵敏度磁强计（其精度为60gamma）的需要对天线座进行了一些修改。携带了2个切伦科夫计数器和6个气体放电计数器，用以测量核粒子通量、高能/低能电子和光子通量。也携带了0.2m²压电测微计探测器，其具有很强的计数能力。根据Luna-2粒子捕获阱测量的结果表明在离月面10000km的高度上有一个电离粒子区。在156000km高度上由火箭末级释放钠蒸汽，由地球上观察站已拍摄到钠云扩散的图片，持续跟踪钠云达几分钟，当钠云的亮度为4.5星等时，钠云的直径达到约640km。火箭的末级携带了测量宇宙辐射强度的仪器。其它的实验与Luna-1相同。

由于在火箭第三级关机后没有中段修正操作，撞击月球需要极高的轨道控制精度。

为了在月面上留下人类第一次撞击的证据，Luna-2携带了两个球：一个直径为9cm，另一个直径为15cm，并打了标记和进行了一定的装饰，撞击后使其留在月面上。

为了降低对污染的担忧，在发射之前，对Luna-2的有效载荷和末级火箭进行了净化处理。

3.1.3  Luna-3

1959年10月4日，苏联发射了Luna-3，其目的是对月球远侧进行拍照，并把照片数据发回到地球。

Luna-3重量为278.5kg，除天线外，其尺寸为130cm长´120cm宽。另外，火箭的末级携带了156.5kg的设备，使其总重量达435kg。给Luna-3内充压达到1.5个大气压，并保存在25°C~30°C温度下。Luna-3为自旋稳定航天器，航天器由化学蓄电池来提供电源，而蓄电池又由航天器中段的太阳电池阵来充电。航天器携带了一些用以测量微流星体、太阳、宇宙射线的仪器，这些一起与Luna-1、Luna-2相同。

尽管Luna-3不能进行中段修正，但它配备了一个方向系统。太阳传感器安装在航天器小端，Luna-3也有一个月球传感器。当Luna-3到达离月面65200km高度并处在月球远侧时，则制动Luna-3的旋转，Luna-3与太阳-月球轴对齐，之后打开照相机镜头盖准备照相。拍照40分钟后，照片至少29张，则Luna-3再次旋转起来。

照相系统为一个双镜头的照相机，其中1个镜头的焦距长度200mm用于对整个月球圆盘进行拍照，另1个镜头的焦距长度500mm。照相使用35mm的等色胶片。为了使胶片耐受宇宙射线的辐照，在地面进行了12Mev的电子辐照实验没有负面效应。照片拍完后，接着在一个小型自动处理器上冲洗胶片并烘干，每张照片冲洗时间约3分钟。冲洗好的照片用一个TV照相机进行扫描，然后把信号发到地球接收站上。有两个发射速率：当离地球距离在470000km以上距离时，采用慢速率发射；当接近Luna-3近月点时，采用快速率发射。每幅画面达到1000电视线。尽管这些画面缺少锐度和透明度，但月球远侧的形貌一目了然。

为了起到一个比对标准的作用，在地面上已冲洗了一些照片图案。

在1959年11月，与Luna-3失去了通信联系。

3.1.4   Luna-4

1963年4月2日，苏联发射了Luna-4航天器，其重量为1422kg。首先把航天器发射到一个地球驻留轨道（297km´167km，轨道倾角64.7°），然后在该轨道上点火使其进入通向月球的轨道。此次发射任务没有成功，对失败的确切原因不太清楚，也有许多猜测。有报道上在4月6日至15日之间，有一段时间地面与Luna-4的通信失去了联系，使其继续在一个地球椭圆轨道（90000´70000km）上飞行，受扰动后进入一个太阳轨道。也有报告说在软着陆时失败了。Luna-4失败过去2年多，才发射Luna-5，对这两年的时间，人们也有许多猜测，实际上苏联正在研制A-2-e火箭，该火箭的上面级存在一些问题。

3.1.5  KOSMOS 60

    1965年3月12日，苏联发射了KOSMOS 60航天器，进入一个地球驻留轨道（287km´201km，轨道倾角64.7°），但是KOSMOS 60没有离开地球轨道，5天之后轨道衰退。

3.1.6  Luna-5

1965年5月9日，苏联发射了Luna-5，进入一个地球驻留轨道（217km´151km，轨道倾角64.8°），航天器重量为1476kg（其中包括着陆舱约100 kg）。离开地球驻留轨道进入一个通向月球的轨道，完成一个中段修正机动操作后，进入月球着陆过程。当航天器到达离月面64km高度时，由于仪器故障使制动火箭不能点火，于5月12日被坠毁在月球31°南、8°西的地点。

有报道，德国的Rodewisch天文观测站在坠毁点由于撞击所引起的月尘扬起225km长、80.5km宽，约持续10分钟。

3.1.7  Luna-6

当Luna-5发射后过去1个月，下一个月球发射窗口来临时，苏联准备发射Luna-6。1965年6月8日，苏联发射了Luna-6航天器，进入一个地球驻留轨道（246km´167km，轨道倾角64.8°），航天器重量为1442 kg。然后，点火进入一个通向月球轨道，在转移过程中，所有系统工作正常。6月9日，经过12次通信联络，Luna-6进行姿态调整，中段修正发动机点火，使其进入预定着陆区域，但发动机没有在正确的时间点上熄火，附加的脉冲使Luna-6在约161000km高度上偏转离开月球。因此，Luna-6进入一个太阳轨道，其任务也没有成功。

3.1.8  Luna-7

1965年10月4日，苏联发射了Luna-7航天器，进入一个地球驻留轨道（286km´129km，轨道倾角64.8°），其重量为1506kg。10月5日，经过一次成功的中段修正，Luna-7到达了月球轨道。当制动火箭点火时，Luna-7的高度高于预定的高度，当发动机关机时，其高度仍然太高，以超过预定的速度撞击月球（着陆点为9°北、49°西的附近）。Luna-7的任务又以失败而告终。

3.1.9  Luna-8

1965年12月3日，苏联发射了Luna-8航天器，其重量为1552kg，进入了一个地球驻留轨道（221km´181km，轨道倾角51.9°）。倾角的改变可以提高有效载荷重量，因为火箭可以从地球的自转中获得协助补偿。在以后的月球航天器发射中都采用了该倾角。

Luna-8航天器于12月7日开始着陆，当Luna-8航天器向月球着陆时，由于制动发动机点火太晚，使得点火的高度太低，航天器以很高的速度撞击月球。撞击月球后所有的信号消失，软着陆舱可能已被破坏。

3.1.10  Luna-9

1966年1月31日，苏联发射了Luna-9航天器，进入了一个地球驻留轨道（219km´167km，轨道倾角51.9°）。在完成1周飞行之前，火箭的第四级点火，推动Luna-9向月球挺进，3.5天后与月球交会。2月1日，Luna-9离月球高度233000km时，开始进行姿态调整和中段修正。接下来的2天，Luna-9向月球急飞，并以每秒4度的速度旋转，以确保适当的温度控制，避免由于月球和地球重力的影响。

Luna-9航天器长约2.7m，重量为1583kg：着陆舱100 kg，着陆设备163 kg，仪器舱300 kg，结构200 kg，推进剂800 kg。着陆舱直径约58cm，呈鸡蛋形状。在着陆舱四周有4个弧片，着陆后分别由弹簧机构打开，打开后4个弧片如4个花瓣，而着陆舱犹如一个花蕊，展开后整个着陆舱的直径约为160cm。然后，再展开4根天线（75cm长），承担着与地球接收站通信的任务。着陆舱内部布施了冲击缓冲吸能结构，在着陆舱的上半段，有一个电视设备和一个气体放电计数器（直径为6mm、长为10mm）。着陆藏的下半段，布施了化学蓄电池、热控系统和通信设备。热控系统的工作原理：当舱内温度上升到超过预设值时，蒸发水来冷却舱内的强迫循环气体，使温度降下来。

在飞行期间和在月面最初几分钟内，天线还埋藏在弧片内。弧片打开后，此时天线起到向地球发信号和接收来自地球的信号。4根悬吊的螺旋天线实际上也是一个亮度参照标准用以校准月面图片和计算月岩的返照率。在着陆舱的上半段的外部安装了3面二面角镜，用以获得月面某个局部的立体图片。

在Luna-9航天器的两端是两个可分离的控制舱，一个舱内装有恒星定向设备，另一个舱内装有无线电高度计天线及相关电路。在制动发动机点火之前，为了使重量最小，这些舱在航天器力矩作用下被抛射。舱内充有大气，当上升到轨道空间时，舱内压力则下降。

仪器舱与发动机部件相连，而发动机部件含有一个氧化剂储箱、一个燃料储箱和一个燃烧室。发动机部件完成两个功能：中段修正和制动。高压氮瓶用于姿态，也配备了化学电池（不是太阳电池）供给航天器电源。绝大多数化学电池装在仪器舱，在制动发动机点火之前，随仪器舱被抛射。

当航天器离月面为8300km高度时，离月面着陆约有1小时，Luna-9开始进行姿态调整，所有系统完成检查，启动自动着陆程序。当无线电高度计指示高度为75km时，给出了两个指令，一个是解锁仪器舱并抛射，另一个是制动发动机点火，Luna-9开始从2.6km/s减速。制动发动机熄火，着陆舱弹射出来，与月面撞击，最后Luna-9落在7°8¢北、64°22¢西的点上。发动机部件以5.5-6.0m/s的速度撞进月壤里。

着陆后约4分钟，Luna-9才开始与地球进行通信。开始拍照，随后向地球发射信号约7小时。电视系统由一个固定镜头和一块面镜（能在两个平面内旋转）组成。每张全景照片由6000线、每根线有500个像素。每幅照片的视场角（水平向下18°、水平向上11°），每幅照片向地球发送约需100分钟（传输速度为1线/秒）。照相机水平向下倾斜16°，使其面向月面。照相机为一个直径8cm、长25cm的圆柱形结构，重量为1.5kg，功率消耗为2.5W。焦距为1.5m至无穷远，在1.5m距离处，能够鉴别的物体可小到1.5至2mm。在发送第一幅和第二幅照片之间，在发送第二幅和第三幅照片之间，Luna-9在月面发生了移动。造成移动的原因可能认为是Luna-9下陷到月尘里或由于月球白天土壤温度升高所致。但凑巧，这种移动使其获得了更好的立体图片。2月7日，由于电池耗尽，这样就停止了向地球发送照片。

经过对已拍摄的照片进行分析，得出月球土壤强度足以支撑100kg的有效载荷，而没有明显影响，由此可以得出航天员在月球探测过程中不用担心会下陷进几米深的月尘里。

表4  Luna-9航天器的飞行过程操作                        （莫斯科时间）

操作时间	飞行操作内容
1月31日15时53分21秒	运载火箭的末级关机，与Luna-9分离。计时程序设备开机。
16时46分至16时56分	为向月球飞行第一段：轨道测量，接收遥测数据；打开无线电接收和发射系统，打开通风系统和遥测设备；轨道测量（用无线电来确定：距离、速度、升角、方位角），遥测数据的发送（包括舱室和仪器的温度、压力，科学实验数据）。
17时57分	使航天器旋转起来，以确保所有部件的正常工作温度条件。
18时19分至18时43分	轨道测量和遥测数据的接收；打开星际导航系统并进行性能检查。
23时15分至23时25分	轨道测量和遥测数据的接收。
2月1日4时41分至4时56分	轨道测量和遥测数据接收。
15时36分至15时52分	无线电通信工作段：启动航天器上时间验证。
20时9分至20时42分	火箭轨道修正系统的调节；向时间程序设备输入数据的校核；主系统工作情况遥测数据的接收。
21时16分至23时14分	轨道修正段：航天器上时间的验证；速度测量；定向（或姿态调整）；空间系统预热；发动机自动关机；关机后速度测量；在整个修正过程中，仪器工作状况的校核（或检查）；火箭绕长轴旋转。
2月2日1时36分至1时46分	轨道测量和遥测数据接收。
16时16分至16时31分	无线电通信段：轨道测量，遥测检查；打开电视系统。
22时42分至22时59分	轨道测量和遥测数据接收。
2月3日1时22分至1时28分	轨道测量和遥测数据接收。
15时34分至16时31分	调整减速系统；检查仪器的工作状况；对输入到时间程序设备的数据准确性检查。
19时28分	在着陆前无线电通信的主要任务是控制减速系统：打开控制火箭减速的仪器；航天器时间的校验和初始数据的校验；轨道测量；姿态调整（一个轴指向太阳，一个轴指向月球，观测方向指向地球）；打开陀螺控制系统；检查航天器上所有遥测系统工作情况；来自无线电高度计的预设高度信号发出；打开制动发动机。
21时44分42秒	星体定位系统关机；向自动脱落系统发送控制指令；发动机打开；舱体抛射；着陆系统准备着陆。
21时45分30秒	航天器在月球软着陆。
21时49分40秒至22时6分	着陆后第一次与航天器进行无线电通信；无线电系统接收和发送信号；打开通风系统；打开科学实验仪器；发送科学实验数据和航天器系统的遥测检查；打开热控系统；弧片打开和螺旋天线打开；天线工作。
2月4日0时0分至0时15分	第二次无线电通信。
4时50分至6时37分	发送第一批月球全景照片（或电视图片）和遥测数据；打开电视系统；测绘月球景貌，并向地球发送全景图片；起航天器上系统、仪器的工作情况的遥测数据接收。
17时0分至19时54分	发送第二批月球全景图片和遥测数据。
2月5日4时0分至4时4分	第三次无线电通信。
19时0分至20时41分	发送第三批月球全景图片和遥测数据。
21时47分至21时56分	第四次无线电通信。
22时28分至22时45分	第五次无线电通信。
2月6日和7日23时37分至1时55分	发送月球个别区域的图片和遥测数据。

3.1.11  KOSMOS 111

在Luna-9航天器发射后不到1个月，于1966年3月1日，苏联又发射了KOSMOS 111，进入一个地球驻留轨道（226km´191km，轨道倾角51.9°），但没有离开地球轨道，2天后进入大气而烧毁。之后，没有其它任何报道。

3.1.12  Luna-10

1966年3月31日，苏联发射了Luna-10，进入一个地球驻留轨道（250km´200km，轨道倾角51.9°），然后点火向通向月球轨道推进，进入一个月球轨道。4月1日完成了1次中段修正，但此时航天器并没有直接向月球着陆飞行，Luna-10最后成为第一个月球轨道卫星。

Luna-10的重量为1600kg，约4米长，发动机、仪器舱和控制段与Luna-9相同（Luna-9的着陆舱就变成了月球轨道卫星：重量245kg，直径约75cm，长度为1.5m，内部压力为850-860 mm Hg，保存在21°C和23°C温度之间，也用电池来供电）。

Luna-10开展了一系列实验，主要实验如下：

（1）磁强计测量月球磁场，并确认月球磁场的下极限值；

（2）用g射线光谱计测量月面g射线辐照强度和谱成分的调查；

（3）用计数器测量太阳微粒子和宇宙辐照；为了确定月球电离层和研究带电粒子，也用该计数器测量低能电子；

（4）用离子阱来测量太阳风中离子和电子的总通量，搜索月球电离层；

（5）用压电检拾器测量星际间和月球空间的微流星体粒子（小于百万分之克）；

（6）用红外探测器来测量月球的热辐射；

（7）用低能X射线光子计数器测量月球岩石的X射线荧光辐照。

为了隔离航天器本身磁场的影响，磁强计被固定在一个吊杆的端点处，该吊杆是可以折叠，在发射过程中呈折叠状态。该磁强计的最大测量范围为50gamma，最小分辨率为1gamma。

g射线辐照探测器可进行宇宙背景天然辐射与月球表面辐射的比对。通过除去天然辐射量，就可以计算月球辐射量，从而可以推算月岩的铀、钍和钙的含量。5个气体放电计数器用以测量太阳和宇宙的光子、电子以及g射线（波长<14 ），其中3个主要用于测量由于太阳X射线引起的月岩荧光，以此来确定月岩中许多元素的相对含量。用2个四极型离子捕获设备和一个调制型带电粒子捕获设备来测量离子密度，可以用来确定在月球上是否存在电离层。用一个压电式侧微计探测器（探测面积为1.2m²、灵敏度为7´10^-8g）来测量微流星体。用一个红外辐射探测器（由2块15´30mm平板接收器组成）来测量月球表面的红外辐射热流。

另外，有2个实验可根据Luna-10在轨运动在地球上进行分析，通过分析Luna-10在月球远侧和近侧的通信功率水平和无线电的折射水平，可以确定在月面附近是否存在一个气体稀薄层；其次，通过Luna-10在轨飞行测量月球重力场的变化，可以测绘出月球重力场分布图，这些对于未来制定载人探月计划至关重要。

经过3.5天时间的飞行后，Luna-10达到了离月面8000km的高度上，进行姿态调整，使火箭发动机面对飞行方向。4月3日，制动发动机点火，使Luna-10的速度从2.1km/s降到1.25km/s，20分钟后，发动机关机，Luna-10以11°/s角速度抛射出来，进入到1017km´350km、倾角为71°54¢的月球轨道，在该轨道Luna-10每2小时58分15秒飞行一周。

Luna-10在轨道工作了56天，连续地向地球发回科学实验数据，1966年3月30日，Luna-10飞行了460周，由于电池耗尽而中断了通信，此时轨道为985km´378km、倾角为72°02¢。

3.1.13  Luna-11

在Luna-10完成月球飞行计划后的3个月，苏联发射了Luna-11航天器（其重量约为1640kg），进入一个地球驻留轨道（201km´193km，轨道倾角51.8°），Luna-11与Luna-10的飞行剖面图相似。8月26日进行中段修正，Luna-11在离月球8000km的高度上进行姿态调整，8月28日制动发动机点火，最后使Luna-11进入1193.6km´163.5km、倾角为27°的月球轨道，轨道周期为3小时。

苏联预计使Luna-11成为第一颗月球轨道器用以对月球拍照，由于故障原因没有完成任务。但它仍完成了277周的绕月飞行，发回了许多科学实验数据，于1966年10月1日由于电池耗尽而结束了探月任务。

3.1.14  Luna-12

1966年10月22日，苏联发射了Luna-12，进入一个地球驻留轨道（212km´199km，轨道倾角51.9°），随后点火进入月球轨道。Luna-12任务的目的是获得整个月球的图片，调查未来的载人着陆场地址。在Luna-12的前端是1个仪器舱，在原来放置无线电高度计的位置安装了照相机系统。Luna-12的重量为1136kg。

完成中段修正后，Luna-12在离月面8000km高度上，进行姿态调整。在高度为1290km、速度为2.085km/s时，液体燃料制动发动机点火工作28秒，使航天器速度降低至1.148km/s，进入一个1740km´100km、轨道倾角接近赤道倾角，轨道周期为3小时25分。

Luna-12上的照相电视系统与1975年7月发射的Zond-3相似，用一台传统照相机拍照，然后冲洗，最后用电视照相机扫描并把图片发回到地球。每幅图片由1100线，在100-340km高度上每幅图片覆盖面积约为25km²，分辨率为15-20m。

除了拍照任务外，Luna-12连续地进行实验，对月球的重力场进行测绘，测量月面的微流星体通量，测量太阳、宇宙辐射，测量月球的X、¡射线荧光辐射。据说，在Luna-12上还开展了电推进发动机实验。绕月飞行了602周，Luna-12于1967年1月19日停止发射数据任务。

3.1.15  Luna-13

1966年12月21日，苏联发射了Luna-13，进入一个地球驻留轨道（223km´171km，轨道倾角51.8°）。12月22日完成中段休整，在同日的19：00，进行姿态调整，在20时59分其离月面高度为70km高度上制动发动机点火，2分钟后成功地着陆到月球上（着陆点为18°52¢北、60°0.3¢西，离Luna-9着陆场约400km）。着陆后4分钟，着陆舱打开，开始发射无线电信号。

Luna-13着陆舱的重量为109kg。其可折叠吊杆可伸长1.5m，在其端点处有2台科学实验仪器，其中1个是辐射密度计（用以评价月面的构成成分），另1个是月壤力学特性钻孔机。着陆舱打开之后，这些吊杆马上展开，棒天线完全展开，4个如耳垂或弧片状的天线展开2/3。

月壤力学特性钻孔机的钻杆直径为3.5cm，其尖点为钛金属材料，工作原理为通过一个爆炸冲击载荷，驱使钻杆进入月壤，爆炸载荷可持续0.6~1秒，推力载荷为5~7kg。通过测量钻孔速度和深度，来确定月壤特性，如果月壤干燥和多孔性，钻杆可以很快地到达5cm的深度（0.003~0.05秒）；如果表面致密，钻杆要花上0.5秒时间才能到达5cm深度。在Luna-13着陆场，钻杆进行了钻探，其深度达到4.5cm，表明该地点的月壤为颗粒状并具有稍许的粘合力，其密度为0.8g/cm³，当深度达到15cm深度时，这些特性仍维持不变。这个结果与后来美国Apollo任务采回的样品实验获得的结果相当。

辐射密度计对月壤密度进行了测量，由铯137元素发射的¡量子，要么被月壤吸收，要么被散射，通过测量散射量，就可以计算月壤的密度。在传感器和辐射源之间增加了屏蔽屏以免计数器直接受到辐射。

另外，Luna-13还携带了其它一些仪器，如压电式动力描记器（由3个相互垂直的加速度计组成）、气体放电仪、辐射计和照相设备等。压电式动力描记器主要通过测量Luna-13着陆时所产生的冲击脉冲的周期和幅度，来确定深度在20~30cm月面层的力学特性。用辐射计来测量月面的热辐射。气体放电仪通过测量宇宙粒子来获得月球返照率。照相设备（重量1.3kg、功率2.5W）与月面的水平成16°角倾斜，在1.5m距离时可以分辨1.5~2mm的物体，Luna-13本身的阴影也依稀可见。

表4 为Luna-13飞行过程控制操作

飞行时间
12月24日21时1分	Luna-13自动软着陆
21时5分30秒	第一次接收来自月面的信号
21时6分 21时18分	第一次无线电通信阶段 遥测数据接收，仪器校验
12月25日15时15分	发送电视图片和遥测数据
16时53分	打开电视设备，扫描月球景观；发射第一批月球全景图片至地球；接收航天器上系统、科学实验设备等工作状况的遥测数据
12月26日16时至18时23分	发送第二批月球全景照片和遥测数据
12月27日16时48分至19时55分	发送第三批月球全景照片和遥测数据
20时30分至21时32分	第二次无线电通信阶段，遥测数据接收
12月27-28日23时2分至0时21分	发送第四批月球全景照片和遥测数据
0时41分至1时6分	第三次无线电通信阶段
2时23分至2时48分	第四次无线电通信阶段
7时5分至9时13分	发送第五批月球全景照片和遥测数据

3.1.16  Luna-14

1968年4月7日，苏联发射了Luna-14，进入一个地球驻留轨道（242km´189km，轨道倾角51.8°），在完成一周飞行之前，火箭末级点火推动Luna-14向月球轨道飞行。4月8日完成了中段修正，在靠近月球进行了姿态调整，在预计的高度上点火制动发动机，使航天器的速度从2.19km/s降到1.279km/s，进入一个870km´160km、轨道倾角42°的月球轨道，轨道周期为2小时40分钟。

Luna-14任务的目的是：（1）精确测量地球与月球相对质量；（2）研究在地球与Luna-14之间在围绕月球飞行过程中无线电信号稳定性；（3）调查月球轨道运动情况；（4）测量太阳带电粒子和宇宙辐射。

3.1.17  Luna-15

1969年7月13日，在Apollo 11发射的前3天，苏联发射了Luna-15航天器（被认为是第三代探月航天器），进入一个地球驻留轨道（247km´182km，轨道倾角51.6°）。之后由火箭末级点火推动Luna-15进入转移轨道。7月14日完成了中段修正，姿态调整并点火制动发动机，使Luna-15进入一个203km´55km的月球轨道。

7月19日，Luna-15又改变了轨道（221km´9km，轨道倾角126°）。在7月20日，在阿波罗11月球舱即将着陆的前几小时，Luna-15又进行了一次轨道修正（110km´16km，轨道倾角127°），此时Luna-15处于一个有利的着陆位置，但没有实施着陆。7月21日18：47美国的Armstrong和Aldrin成为了人类第一次登上月球并在月球行走的人，此时，Luna-15再次点火它的制动发动机，开始它的月球着陆进展。4分钟后，Luna-15坠毁在Crisium月海上（着陆点为17°北、60°东，着陆速度为480km/h）。围绕月球飞行52周后，Luna-15最后以这样的命运告终。

但苏联仍宣布Luna-15完成了预计任务。Luna-15的重量达5800kg，是一个非常复杂的航天器。

3.1.18  KOSMOS 300和305

苏联人认为在1969年7月在月球探测中被美国打败了，但他们马上致力于月球探测的下一个发射计划。1969年9月23日，KOSMOS 300被发射进入一个地球驻留轨道（208km´190km，轨道倾角51.5°）。当月球探测器与轨道平台分离时，但由于没有获得足够的速度，又进入另一个地球轨道，在再入大气中4天被摧毁了。10月22日，又发射了KOSMOS 305，在完成一周飞行之前，其有效载荷衰落，这次发射任务又失败了。1969年一年里，苏联进行了5次发射，均以失败告终，只有Luna-15到达了月球附近。

3.1.19  Luna-16

1970年9月12日，苏联发射了Luna-16，进入一个地球驻留轨道（241km´185km，轨道倾角51.5°），70分钟后向月球飞行，发射后1天通过主发动机6.4秒的点火完成了一次中段修正，9月17日，制动发动机点火，进入一个110km的初始圆轨道（向月球赤道面的倾斜角70°）。9月18日、19日，完成了两次轨道机动操作：第一次机动是推动Luna-16进入一个椭圆轨道（110km´15km），第二次机动是改变轨道倾角为61°，并稍许降低了其远月点高度（106km）。

当航天器到达近月点时，制动发动机点火，6分钟之后，Luna-16成功地软着陆（着陆点为0°41¢南、56°18¢东）。在月球轨道上总共花了75小时26分钟。

在着陆后不到1小时，一个自动钻头开始在月面钻孔采样。7分钟之后钻头达到35cm的深度，然后就停止钻孔并撤回来，把样品封装在返回舱里。这些工作完成后，Luna-16在月球静呆以等候返回地球的指令。9月21日，Luna-16上的上面级点火，使返回舱离开月球，开始它3天的返回地球的行程。3天后返回舱安全地返回地球，此次已采回101克的月壤样品。

Luna-16重量为5800kg，4米高。航天器主要分两个部分：登月段和离开月球返回地球段。在登月段过程中，包括中段修正、轨道插入、轨道机动、降落、软着陆、采样、返回发射平台的准备等。离开月球返回地球段过程中，包括发射离开月面、中段修正、再入地球大气、着陆等。航天器有4个圆柱形燃料储箱，用以登月轨道上各种机动操作之需。无线电高度计测量水平方向、垂直方向的速度及高度值。在飞行过程中需要测量航天器附近的温度和辐射。为了完成离开月球返回地球的任务，需要足够的燃料和功率储备，航天器上所有系统（包括温度控制系统、姿态控制系统、无线电发射机和接收机等）所需的功率由化学电池供应。为了吸收着陆时的冲击能量，采用了4根可伸缩的着陆支柱结构。

当航天器在月球轨道上，着手登月时，主发动机按预设时间点火，接着航天器沿着一个自由落地的方式向月球着陆。在600m高度上，主发动机和4个微调发动机再次点火，按航天器上计算机设定的程序来改变推力水平，在20m时速度为2.5m/s。在此时，由两个更小的发动机承担制动任务，当即将着地时，两个发动机关机。为了避免由于燃料排放引起的月面污染，再次切换到两个低推力发动机。在着陆时整个航天器的重量为1880kg。

一旦到达月面，两个远距光度计开始工作。0.9m长的钻臂具有水平和垂直方向运动的能力，为了避免岩石使钻机按预定的程序工作。钻头打开锁紧机构，并旋转180°，弹射出防护罩，露出钻管。在选定的场所上进行定位，钻头开始钻探，钻头中的传感器开始测量月壤的阻力。

3.2  美国一些主要的月球探测任务实施概况

3.2.1  Apollo月球探测任务实施情况

在该工程运行中，动员了200多所大学、2万家企业、80多个科研机构，总人数超过30万人。为实现登月计划，美国先后启动了“徘徊者号”、“月球轨道环行器”、“勘测者号”等一系列月球探测计划。这些探测活动，对月球表面拍摄详细的照片，绘制月球地图，主要研究月球的表面环境和表面构造，为“阿波罗号”飞船选择着陆地点。

3.2.1.1  Apollo 17任务

1972年12月11日，第六次也是最后一次Apollo月球表面探测任务即Apollo 17在Mare Serenitatis海附近的一个山谷中着陆，航天员Eugene Cernan和Harrison Schmitt在着陆现场度过了72小时，该着陆场也称Taurus-Littrow。这次任务的主要目的是采集不同岩石的样品。

航天员在月球表面上呆了22多个小时，利用月球车穿越了月球表面阴暗区平原，穿越距离达30多公里，采集了近120㎏的岩石和土壤，许多岩石样品已进行了详细的研究分析。在Apollo 17任务期间，在月球表面放置了一台质谱仪，它提供了有关许多稀有气体分布的数据，包括氩-40、氦-4以及少量的（氩-36、甲烷、氨和二氧化碳（在太阳升起时）、氖-20、氢气）等气体。实际上，在月球上氩-40由在月壳内的钾衰变而成。月球大气中氩含量的变化（观测周期为6~7个月）使我们推测存在一个局部熔化核的存在。如果发现周期地向月球表面排放气体，可以采取措施捕获这些气体，用做生产原料、或用做气动系统的动力载体、或用做其它用途。

用超热离子探测器测量到在阴暗界限附近存在热太阳风电子云，发现该电子云随着太阳风和极限紫外线通量的变化而变化。也发现了水蒸汽现象，当然这个问题一直在争论不休。

3.2.1.2  Apollo地震测量实验

在Apollo任务中进行了主动和被动地震测量实验，采集了关于月球内部的一些有用信息。在被动地震测量实验中，在月球表面放置地音探测器用来探测自然地震活动和微流星体撞击。主动地震测量实验用地音探测器测得废弃的月球舱对月球的撞击。

月球地震信号不同于地球地震信号，因为月球壳为单板块结构，而地球壳为多板块结构。据说月球地震的声音如撞击钟一样余音缭绕，强烈的信号能持续几个小时。地球地震信号在遇到板块边界时被衰减下来。在Apollo17着陆场，对月球表面下多层深度进行了地震信号的测量，已探测到发生在1385米深度的月球地震强烈信号。这个发现与在在Apollo17着陆场对火山层的厚度进行预示的结果相吻合。在地震边界下的物质可能与在高地周围岩石的化学构成是相似的。

在最初几次Apollo任务着陆主要是开展一些工程实验，如在月球上着陆的安全性问题和在月球上短时间生存问题。只是在最后几次Apollo任务着陆主要是开展了一些科学实验，如着陆场的选择、舱外活动等等。在历次Apollo的月球探测任务中都有许多重要的发现。

3.2.1.3  Apollo任务的发现

对历次Apollo任务的发现进行总结，主要有十大发现：

（1）月球不是一个原始星体，而是一个经演变而来的行星，它的内部结构与地球的构造有很多相似之处。在Apollo任务以前，关于月球的描述是一些无穷无尽的猜测。现在我们知道月球也是由岩石构成，也存在火山的喷发。它也有一层60km厚的月球壳、一层均匀的岩石圈（延伸到近1000km的深度）和在1000~1740km之间存在一层部分岩流圈。最近的月球探勘者（Prospector）所探测的数据表明月球也有一个月球核。整个月球无磁场，但是却发现有些岩石存在磁场。在月球上指南针是根本没有用途的。

（2）月球很古老，仍保存着4×10⁹年历史的记录。在月球上有大量的微流星体撞击坑，用岩石样品的绝对年龄来核对月球地质演变的历史，这也是揭开其它行星演变历史的一把时间钥匙。在Apollo任务，对于月球上撞击坑的起源不很了解，同样在地球上相似撞击坑的起源也有很大的争议。

（3）最年轻的月球岩石也与地球上最古老岩石的年龄相当。在地球和月球之间最早所发生事件和过程现在也只有在月球上能找到。月球上岩石的年龄范围由在“Maria”海的岩石年龄为3.2×10⁹年至在月陆上岩石年龄为4.6×10⁹年。在月球上古老的表面持续未受到任何干扰，而在地球上这些古老的表面却受到板块挤压、侵蚀和在其上面的连续耕作被遭受破坏。

（4）月球和地球是相互关联的。地球和月球有相似的氧同位数成分，表明它们拥有共同的起源。相对地球而言，月球上缺乏铁和挥发性元素，这些元素是形成大气和水所必需的。

（5）月球上无生命，包括无生命微生物、化石或天然的有机化合物。

（6）所有的月球岩石经过无水的高温过程形成，它们可分为三种：玄武岩、钙长石和角砾岩。玄武岩为深色火山岩，分布在月球盆地，它们类似于地球上构成海洋地壳的火山岩，但它们的年龄比地球上海洋地壳火山岩古老。钙长石为轻质岩石，是形成高地主要成分，它们类似于地球上最古老岩石，但年龄比地球上最古老岩石还古老。角砾岩为复合岩石，由其它岩石在微流星体撞击期间通过粉碎、混合和烧结而成。月球上没有砂岩、页岩或石灰石等，因为这些岩石的形成需要水。

（7）在月球形成的早期，月球被熔化至很深的距离，形成了所谓的“岩浆海”。月球高地含有漂浮在岩浆海上低密度岩石的残余成分。月球高地形成于4.4~4.6×10⁹年前。在整个地质年代，无数的微流星体撞击使古月壳的大部分缩小成一层厚厚的大石头和碎石层。

（8）月球岩浆海形成后，紧接着遭受了一系列巨大小行星的撞击，撞击产生了月球盆地，之后，在盆地里填充了火山流体。巨大的深色盆地（如Mare Imbrium盆地）是巨大的撞击坑，是在月球形成的早期形成的，约在3.2~3.9×10⁹年前填充了火山流体。在有些情况下，火山爆发喷发出桔黄色和绿色的玻璃珠子。

（9）月球的形状呈轻微不对称，可能是由于地球重力影响的结果。在月球远侧地壳比较厚，而在月球近侧却有很多火山盆地和常发生质量密集异常现象。在月球内部质量分布不均匀，具大的质量密集位于许多大型月球盆地之下，意味着沉积了一层厚厚的致密火山岩。相对于月球的几何中心而言，它的重心却朝东偏移几公里。

（10）月球的表面覆盖了大量的碎石堆和月球尘埃，也称月球风化层，其中隐含了太阳辐射的独特历史记录，对于了解地球气候的变化具有重要的意义。在整个地质年代，无数的微流星体撞击形成了月球风化层。月球表面的岩石和矿物粒子明显富含化学元素和同位素（由太阳辐射的作用）。正因为如此，月球已经记载了4×10⁹年太阳系完整的历史，在其它任何地方都难以找到。

    Apollo计划标志着人类探索月球的开始。要完成对月球的“Maria”海、山脉、沟纹、熔岩管和月球坑等全面的现场调查，正期待着人类重返月球并进行永久的探测和居住。

3.2.2  伽利略（Galileo）观测任务

最近，伽利略航天器在向木星飞去的途中，捕获了一些最新的月球照片。这些照片很有用，提供了以前月球探测未测绘到的部分月球细节。月球是一个参考行星，我们既可以从空间对它进行观测和通过研究月球样品了解它，也可以以它作为观测基地实现对其它天体的观测。

对月球上只有几个地方了解得比较多，如Apollo和Lunokhod着陆场。对月球其它部分了解得非常之少，例如月球极区和月球远侧。基于这个原因，在未来的月球探测应重点放在全面的而不是局部的对月球进行探测，应该通过发射大量的月球环游探测器对月球全面的探测。伽利略是一个很好的任务，它拍摄到月球远侧南极Aitken盆地的照片。从伽利略所拍摄到的照片中，我们可以知道已覆盖了大量火山沉积物的区域形成了一个“隐海”（crypto-mare）。这是一个重要的发现，因为它揭示了月球经历了大量的大范围的火山活动。伽利略的月球照片分辨率只有5.5km。欲想对月球进行全面的探测并有更多的发现，在未来的月球环游器应该具备更高的照相分辨率。

3.2.3  Clementine月球探测任务

1994年1月25日，美国成功发射了“克莱门汀1号”探测器，奏响了美国重返月球的序曲。

 1994年，美国国防部和NASA一道联合主持了Clementine月球探测任务，由美国研究实验室（NRL）负责研制和操作。是第一次贯彻“快、好、省”的管理策略所研制的一种新型小卫星，采用了大量的非常轻型测量仪器和硬件。美国国防部主要想了解他们的新型天基探测仪器在空间环境中（尤其是恶劣的Van Allen辐射带的辐射环境中）的工作性能并是否幸免于难。NASA可用这些仪器对月球进行更详细的探索。Clementine航天器放置在月球极地轨道上，工作时间为2个月。在这2个月中，获得了几乎含盖整个月球表面的详细图像。科学家利用这些图像了解整个月球的化学构成情况，对一些感兴趣的区域进行重点研究分析。

在Clementine照相机中采用了颜色过滤器，包括11个特殊的谱段，将用来分析岩石和土壤的构成。在轨道2个月期间，对月球表面测绘了3.8×10⁷平方公里，拍了近2百万张照片。它也携带了一台激光测距仪来采集关于月球地形学的精确数据，经测量所了解到月球的表面比我们以前所想象的更加粗糙。在Clementine月球探测发现中，其中最有价值的发现是在月球上可能存在水/冰。如果这个发现得到验证，将意味着未来的载人月球探测和最后定居任务将变得更加容易。

3.2.4  月球探勘者（Prospector）任务

月球探勘者卫星于1998年1月6日发射，放置在100km的环绕月球轨道上。它携带了5种科学仪器，其中包括一台中子分光计，主要用来搜寻月球表面水的存在。中子分光计测量由于宇宙射线轰击月球表面而放射出的中子能量。用一种特性方式来分析月球风化层中的氢使月球表面中子的能量适中还是降低。当在月球上出现一个氢浓度时，中子分光计将通过鉴别中子能量的特性减弱来探测该浓度。

月球轨道中子分光计在月球极区上对中子能量的探测，记录到特性适当下降，指示在那些区域的氢浓度。因为元素氢是气体，在月球氢浓度以稳定氢分子的形式出现。基于物理、化学和温度原因，氢分子最有可能以水/冰形式存在于月球坑的永久阴影地区。月球探勘者最初的数据表明在月球的极区存在10~300百万吨的水/冰，而水在月球的北极区的数量比南极区的多。最近的数据也表明在月球上存在1~10×10⁹吨的水，因为中子分光计仅能半米深度的氢浓度，水也许存在更深的地层中。在月球上发现了氢浓度其意义在于氢是一个有重要价值的元素，是生物系统、火箭燃料和工业应用的重要要素。随着氢资源的发现，人类永久重返月球的日程表就太遥远。

除了在极区发现了氢浓度的存在，月球探勘者也提供了月球表面其它元素分布的数据，如钾、磷、铁和在地球上稀有的元素等，也探测到太阳风与月球的相互作用。也正在用所探测到的数据制作月球重力地图。完成以上任务测绘之后，月球探勘者把轨道降低到月球表面上10km以便对月球进行更加详细的探测。

4  未来的一些重返月球航天计划

1989年7月20日，在纪念“阿波罗号”载人登月20周年的时候，美国总统布什宣布重返月球，建立月球基地并以此促进对火星的空间探测。这一设想提出后，俄罗斯、欧洲和日本都组织了力量进行研究，相继制定了各自的计划。1993年4月，美国、欧洲和日本的200多位科学家汇集法国，围绕人类是否有必要重返月球，是否需要建立一个永久性的月球基地等问题展开了深入讨论和研究。会议取得了共识即21世纪人类将再次送宇航员到月球，并在2020年前后建立月球基地，在月球上利用太阳能发电并往地球输送，经过改造后的月球将成为适合人类居住和生活的又一个星球。

 21世纪，人类将迎来第二个月球探测热潮。

据有关资料称，重返月球是美国航空航天局面向21世纪的第三重点项目。1995年，美国提出了“新盛世”计划。美国计划在对月球进行全方位探测的基础上，实施宇航员重返月球，建立月球前哨站。

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。第一阶段发射数颗月球卫星，勘测月球资源，并将一个带有月球车的登月舱送上月球，考察地球的形貌，为将来载人登月积累数据；第二阶段发射月球遥控机器人，进行月球物质的化学成分分析和物理探测；第三阶段就地取材进行月球上的材料加工；第四阶段完成月球基地建设，宇航员进驻永久性月球基地。

日本计划2002年12月发射一个月球探测器；2004年5月12日到达月球，对月球进行考察；2006年将月球探测器送上月球软着陆，从探测器里开出的月球车将为日本在月球极区建立观测站提供宝贵的数据；2015年前发射数颗探测器，对月球进行测绘，完成采样和返回任务；最后建立极区观测站，配备自主式月球车，并逐步解决受控生态、生命保障、防辐射和能源生产等各系统的问题。

印度计划2007年左右发射无人驾驶的环月球探测器。

中国也制订了21世纪的月球探测计划，即整个工程分三个阶段来实施：绕月（或环月）飞行、软着陆和采样返回。预计在2007年发射第一颗绕月飞行卫星。