低成本探测器在月球探测中的发展研究
月球是地球唯一的天然卫星，月球的地质活动没有地球活跃，因此对其表面陨石坑和玄武岩等的研究，可以探索宇宙的早期历史以及地球的起源和过往。随着科技水平的飞速发展，运载火箭能够以更加低廉的成本将探测器送入奔月轨道，大大降低了月球探测任务的发射代价。随着机电与集成电子技术的快速发展，微小卫星在许多领域已经成为各类技术验证和创新应用的实践先驱。
当前微小卫星从结构体系、单机产品等都形成了比较标准化、货架化的产品体系和丰富的、可供比较选择的产品供应商。世界各主要航天大国纷纷将低成本探测器引入月球探测领域，希望通过“政府引领+商业公司和高等院校共同参与”的方式，改变传统月球探测以国家机构为主力的产业形态。本文梳理了低成本探测器在月球探测中的应用情况，并对低成本探测器未来的发展方向进行了展望。月球作为地球唯一的天然卫星，可以为研究地月系统和太阳系的起源和演化提供重要证据，月球探测成为人类进行空间探测和开发利用的首选。1958年苏联发射了首个月球探测器，拉开了人类月球探测的序幕，之后的1959—1976年，美国和苏联在冷战背景下展开了以月球探测为中心的太空竞赛。美国在此期间发射了38颗无人月球探测器，成功进行了月球硬着陆和软着陆。
1969年7月发射的阿波罗11号（Apollo 11）实现了人类首次载人登月，此后又成功进行了5次载人登月，先后把12名宇航员送上月球，并带回了382kg月壤样品。苏联在此期间先后发射了47颗无人月球探测器，成功进行了硬着陆、软着陆、无人巡查以及三次月球采样返回任务，共采回370g月壤样品。
近年来，各航天大国纷纷提出月球探测计划并积极实施，再次掀起了探月热潮。2020年9月，美国国家航空航天局（NASA）正式公布了“阿尔忒弥斯”（Artemis）探测计划，将实现重返月球，并建立环月轨道空间站和月球表面基地以实现月面持续驻留，为未来美国宇航员登陆火星奠定基础。作为Artemis计划的一部分，“商业月球有效载荷服务”（CLPS）计划不断开展，2025年3月2日，美国萤火虫航天公司（Firefly Aerospace）的“蓝色幽灵”（Blue Ghost）月球探测器成功着陆在月球表面，成为全球首个完全成功着陆月球的商业月球着陆任务。2023年8月23日，印度月球探测器“月船”3号在月球成功着陆，使印度成为了第四个成功着陆月球的国家。
从2004年起，我国探月工程按照“绕、落、回”三步走的规划逐步实施，目前均已圆满完成。2007年嫦娥一号实现绕月飞行探测，2010年嫦娥二号实现多目标天体探测，2013年嫦娥三号实现月面软着陆和巡视探测，2018年嫦娥四号在国际上首次实现月球背面软着陆和巡视探测，成为人类太空探索新的里程碑。2020年嫦娥五号实现我国首次地外天体采样返回，标志着我国探月工程三步走战略取得圆满成功。2024年6月25日，嫦娥六号携带着人类首次在月球背面获取的1935g样品，稳稳降落在内蒙古四子王旗着陆场，这标志着嫦娥六号月背采样返回任务取得圆满成功。低成本探测器一般指在尺寸、质量、成本等方面均明显低于传统探测器的小型探测器，比如立方星或者微卫星就是典型的低成本探测器。
低成本探测器在月球探测的历史上发挥了重要的作用，2007年日本第一颗月球探测器月亮女神（SELENE）上就携带了2颗53kg的子卫星；“龙江二号”微卫星是中国首颗环月微卫星，同时也是国际上首颗独立完成地月转移、近月制动和环月飞行的微卫星。近年来，各国航天机构陆续开展了一系列以低成本探测器为载体的月球探测活动，详见表1。美国科学院发布的《起源、世界和生命：2023—2032年行星科学和天体生物学》文件中明确提出要持续支持一批“小型创新型行星探索任务”；欧洲航天局（ESA）出台了专门的立方星任务规划，对深空探测立方星任务给予了高度重视；日本内阁府2023年通过的《宇宙基本计划》和《工程表》也将小型航天器列入其各领域航天发展规划。
低成本探测器正逐渐成为月球探测的一个重要方式。从任务设计角度，利用低成本探测器开展月球探测主要包括以下3种方式：1）低成本探测器充当大型月球探测任务的功能补充。这类低成本探测器的任务设计完全围绕主任务的需求展开，如辅助拍照、短时信号中继等，典型任务包括“火星立方星一号”（MarCo）。2）低成本探测器在大型月球探测任务中搭载发射并执行独立探测任务。这类任务在显著削减发射成本的同时，尽可能保持低成本探测器自身任务的独立性，但分离轨道、质量尺寸等会受到严苛约束。典型任务包括Artemis - 1搭载立方星等。3）低成本探测器独立开展月球探测任务。
在低成本小型运载火箭取得长足进步的背景下，此类任务研制成本低、任务目标设计灵活等优势正在逐步凸显。典型任务包括CAPSTONE任务。CAPSTONE2022年6月28日，全球首次地月空间立方星任务CAPSTONE成功发射，如图1所示。CAPSTONE对近直线晕轨道（NRHO）的稳定性进行验证，降低未来近月空间站的运行风险。CAPSTONE是一颗12U立方体卫星，质量约25kg，携带肼推进系统，总计能够提供超过200m/s的速度增量。CAPSTONE于2022年6月28日发射并经过“光子”上面级的一系列轨道抬升机动后，于7月4日按计划到达弹道月球转移轨道，并在此后不久与上面级分离。在低能月球转移轨道上执行6次轨道修正机动后，CAPSTONE于11月14日抵达月球附近的NRHO，随后进行变轨控制和2次轨道修正控制，航天器成功进入NRHO，开展自主导航技术试验任务，飞行过程见图2。
CAPSTONE在为期6个月的任务中，对NRHO特性及轨道维持技术进行了在轨试验，并完成了世界上首次地月空间自主导航试验，为后续“月球门户”空间站的导航定位和轨道维持技术奠定了基础。CAPSTONE的主任务已于2023年5月结束，后续还计划进行为期12个月的拓展任务，进一步测试相关技术。卫星将在完成拓展任务后进行主动离轨控制，受控撞向月球北极地区。
2) 验证NRHO轨道动力学，为月球门户空间站项目铺路；
3) 采用低能量弹道月球转移轨道，大幅降低立方星推进需求；
4) 试验不依赖地面的导航技术，为未来任务奠定技术基础。Artemis-1搭载立方星任务NASA在Artemis - 1任务中搭载发射10颗立方星，但由于发射时间多次推迟，搭载立方星在箭上长期存储，最终7颗立方星先后宣布任务失败。但该任务仍有部分特点值得借鉴，轨道设计中设立5个站点用于分离，极大增强了搭载的灵活性。
实际部署的10颗立方星的名称、分离站点和任务类别与简介等详细信息如表2所示。其中，有6颗立方星从站点1分离，2颗立方星从站点2分离，2颗立方星从站点5分离。立方星的任务可分为月球科学研究、空间辐射研究和技术测试3类，其中4颗主要开展月球科学研究，3颗开展空间辐射研究，另外3颗开展技术测试。从任务设计角度来说，这10颗立方星的设计思路非常多样，大胆应用了许多新技术。例如在轨道方面，有4颗星采用日地弱稳定边界、月球借力和太阳帆推进等技术寻求降低燃料消耗；在制导、导航与控制系统方面，有2颗星采用微型天文光学导航敏感器进行自主导航，以降低对地面测定轨的依赖；在推进方面，有3颗星采用了新型碘离子电推进，验证了这一比冲高、推进剂存储密度大、可显著减小推进系统尺寸的新型推进装置。虽然其中大多数任务失败了，但仍然为后来者继续从事相关研究与项目提供了宝贵的工程经验。低成本月球探测器既具有大型月球探测任务风险较高、系统复杂等共性问题，又具有小卫星质量尺寸限制严苛、设备性能不足和测控资源紧缺等特殊矛盾，这对低成本探测器设计提出了一系列新的严峻挑战。本章重点针对月球探测低成本探测器轨道、推进和测控通信等方面的发展方向进行介绍。
低能轨道的广泛应用月球探测轨道设计需要满足如测控、光照、热控和推力限制等多方面约束，是非常复杂的优化问题。月球探测轨道设计的难点主要是指如何建立高精度动力学模型、如何获取轨道初值和如何寻找满足约束的最优轨道3个方面的问题。而对于低成本探测任务，在任务设计过程还面临以下难题：1）搭载发射方式造成了初始轨道约束。低成本月球探测任务往往搭载发射，主任务进度变化给轨道设计工作带来不确定性的同时，还限制了入轨位置与时间。2）质量尺寸的限制使低成本探测器在设计时必须慎重考虑平台和载荷间的质量平衡问题。电推进等新推进方式解决了部分问题，但推力过小等问题依然约束了机动能力，并带来了新的复杂优化难题。天体力学的新发展为解决这些问题提供了新的思路。基于限制性三体模型或更加精确的动力学模型，学者们提出了以平动点轨道、低能量转移轨道和弹道捕获轨道等为代表的一系列特殊轨道族，它们的共同特点在于都巧妙地利用了自然天体间的引力与运动关系，以耗费更多的转移时间为代价降低了月球探测任务中轨道转移所需要的能量并增加了发射窗口，对于推进能力受限严重的低成本探测器尤为适用。
周期轨道方面，法国人Hénon在希尔限制性三体问题模型下对周期和准周期轨道进行了系统的研究，研究了各类轨道的稳定性。美国的Howell对地月系统限制性三体问题下的Halo轨道进行了详细的数值延拓，发现了两组稳定的Halo轨道，并将其命名为NRHO。CAPSTONE的主要任务之一就是验证NRHO轨道的稳定性。
轨道转移是探测任务中必不可少的重要环节。地月转移中经典的霍曼转移本质上是围绕地球的大椭圆轨道，转移过程只需要数天时间，但是转移消耗很高。美国的Belbruno和Miller利用弱稳定边界理论设计了低能地月转移，大大降低了转移消耗。美国的Enright等人将转移轨道的设计考虑为一个最优控制问题，并进一步转化为一个非线性规划（NLP）问题，日本人Topputo通过结合多段打靶法将转移轨道优化问题转化为了非线性规划问题，获得了数千条转移时间小于100天的最优双脉冲地月转移轨道。
美国的Gomez等人利用Halo轨道稳定流形构建了从地球到平动点轨道的转移轨道，应用于太阳和日光层探测器（SOHO）中的转移轨道设计。Artemis - 1任务搭载的立方星绝大多数都采用了这些特殊轨道作为地月转移或运行轨道，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）和东京大学联合研制的EQUULEUS立方星是其中的典型任务。
新型推进系统在轨验证月球探测任务速度增量需求一般较大，传统化学推进工作可靠，但比冲相对不高，难以满足低成本探测器月球探测设计约束。因此，月球探测低成本探测器推进系统考虑电推进方案。
对于少部分轨道控制需求不大的任务，选用化学推进或者冷气推进。离子电推进具有高比冲、长寿命、高可靠性、宽功率范围多模式甚至连续可调、可长时间连续工作、可多次开关机等诸多优势。月球冰立方星为6U立方星，轨道控制应用了一套射频离子电推进系统（图3），该系统占空间1.6U，质量1.5kg，整个系统包括射频离子推力器、电源处理单元、贮供单元、两轴推力矢量调节单元等，携带推进剂1.5kg。推进剂采用低成本易获得的碘，碘工质的优势是可以在较低压力下存储在方形容器中，从而更好地实现减重且不太占用空间。射频离子推力器输入功率50W，推力1.1mN，比冲2500s，推力器设计寿命9300h，设计总冲37kN·s，地面已完成4000h寿命试验。该推进系统仅占6U立方星质量的25％，能产生3.1km/s的速度增量。近几年国外提出了一种结构极为简单的自中和离子推力器，用于迈尔斯立方星，3台推力器同时用于轨道控制和姿态控制，可以产生1500m/s的速度增量，推力器输入功率22W，推力5mN，比冲760s，整个系统尺寸为0.5U，质量仅0.5kg，携带1kg碘推进剂，干质比和推重比大幅提高。自中和离子推力器工作原理是通过火花放电使碘电离产生等离子体，在电场作用下将等离子体拆分为离子和电子，随后离子和电子分别被加速，电子首先喷出，形成虚阴极并与剩下的离子产生较大的电势差，随后离子喷出并被电子中和。
激光通信的潜在应用相比于近地卫星，月球探测卫星飞行距离远，信号衰减大，严重依赖地面测控站。当前用于月球探测的频段包括UHF频段、S频段、X频段、Ku频段和Ka频段。近年来，深空激光通信技术得到了广泛的关注，通信频率高，空间和时间相干性好，发射波束窄，因此具有速率高、通信容量大、天线尺寸小、功耗低、体积小等优点，是解决现有深空微波通信系统数据传输速率瓶颈、实现航天器观测数据实时快速传输的有效解决方法。2019年，NASA提出了月球网（LunaNet）计划，其目的是为探索月球活动的阿尔忒弥斯计划提供更强大的通信、导航和网络支持。
LunaNet计划在月球上构建互联网，月球轨道航天器或月球表面的漫游车和宇航员都能够使用射频和激光通信连接到LunaNet，同时具有连接网络、导航和探测的能力。在LunaNet中，月球轨道对地链路、月球轨道对月球轨道的中继链路、月球轨道到月面链路都将采用射频通信和激光通信结合的方式。激光通信的相关参数如下：通信波长1550nm，编码调制格式SCPPM，月球轨道对地链路通信速率下行大于1Gbit/s、上行大于20Mbit/s，月球轨道对月球轨道的中继链路通信速率233Mbit/s~2.1Gbit/s，月球轨道到月面链路通信速率100Mbit/s~2.1Gbit/s。
对于月球探测小卫星而言，激光通信技术具有极高的应用价值，但目前尚未得到在轨应用。世界各国正在进行相关技术试验，其中美国纤维泰克公司（Fibertek）从事微小卫星光通信终端及激光器的研发，为NASA在“灵神号”（Psyche）任务中的深空光通信项目提供支持。图4是Fibertek为一个6U立方星设计的激光通信系统，该系统由光收发器、激光器、调制解调器和耐辐射控制器组成，能够支持1~10Gbit/s下行传输速率。该激光通信系统体积为2U，质量为2kg，功耗小于40W。系统集成了精密转向镜和1μm信标传感器，以满足光束指向稳定能力。月球探测已经成为各大航天强国的必争之地。随着小型化电子产品和传感器的快速进步，低成本探测器成为了空间探索的强大工具。近年来，低能轨道的应用降低了月球探测的门槛，月球探测任务中低成本探测器不断涌现，新型推进系统在轨开展多次验证，将极大增强低成本探测器的在轨机动能力。随着激光通信系统的不断进步，有望在低成本探测器上得到应用，进一步增强其功能价值。未来的月球探测中，低成本探测器将扮演重要的角色，通过小型任务验证技术以推动创新技术快速发展，在增强任务灵活性的同时降低成本和风险。
