圣杯號：用很低的成本，看見了月球的最深處 | 科學世界·星際征途

2026-04-15 17:22

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

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圣杯號任務將雙星編隊精密測量重力場的技術首次應用到地外天體，以前所未有的精度，顯著深化了人類對月球內(nèi)部圈層結構及熱演化歷史的認識。它以簡潔而巧妙的技術方案取得了突破性成果，成為月球探測史上的里程碑。

本期星際征途，由南方科技大學的丁忞副教授和北京航空航天大學的徐璐媛副教授詳細解讀圣杯號任務。丁忞致力于類地行星重力場和內(nèi)部動力學研究，徐璐媛關注太陽系固態(tài)天體上的撞擊過程及其產(chǎn)物分布。

專欄主持人：李薦揚

圣杯號探測任務通過雙星軌道的相對變化測量月球重力場，從而揭示月球內(nèi)部結構與演化。

如果有人告訴你：NASA用不到 5 億美元、在沒有高清鏡頭、不登陸、不用黑科技的情況下，只靠兩顆 “極簡衛(wèi)星”、一個科學載荷，就把月球從表層到內(nèi)核看得一清二楚，你敢信嗎？

21世紀初期，美國航天局（NASA）啟動了一項看似低調(diào)，卻深刻改變?nèi)祟悓υ虑蛘J知的探測任務——圣杯號（GRAIL，全稱是Gravity Recovery and Interior Laboratory，重力反演與內(nèi)部結構實驗室）。這是一項沒有著陸器，沒有高清相機，甚至沒有新技術噱頭的任務，但它卻以前所未有的精度，透視了月球的內(nèi)部世界。

低成本深空探測的理想與現(xiàn)實

NASA的發(fā)現(xiàn)級計劃（Discovery Program）誕生于20世紀90年代，其核心理念可以概括為一句廣為人知的口號：“更快、更優(yōu)、更省”（faster，better，cheaper）。與動輒耗時十余年、預算高達數(shù)十億美元的旗艦級計劃不同，發(fā)現(xiàn)級計劃由科學家主導，通過公開競爭遴選任務概念和方案，在嚴格的4.5億美元成本上限內(nèi)追求盡可能高的科學回報。這個計劃先后支持了火星探路者號（Mars Pathfinder）、月球勘探者號（Lunar Prospecter）、星塵號（Stardust）、信使號（MESSENGER）、深度撞擊號（Deep lmpact）、黎明號（Dawn）、洞察號（InSight）等14個太陽系探測任務，使行星探測在有限預算下保持了活力，也讓中小規(guī)模深空探測成為可能。

然而進入21世紀后，這一低成本探測理想開始遭遇現(xiàn)實考驗。隨著任務復雜度提升，多個項目出現(xiàn)了明顯的成本增長和進度壓力，原本被認為“可控”的技術與管理風險逐步凸顯，這使得原計劃于2000年發(fā)布的任務征集公告多次推遲乃至最終取消。

與此同時，NASA整體預算環(huán)境趨緊，不同任務線之間開始爭奪有限的項目預留資金，發(fā)現(xiàn)級計劃賴以生存的“低成本優(yōu)勢”受到嚴重沖擊。面對這一局面，NASA對發(fā)現(xiàn)級計劃進行了系統(tǒng)性反思，并推動了一系列制度改革，包括強化技術-管理-成本評估、提高強制性成本預留比例、重新界定首席科學家職責等。

改革完成后，新的發(fā)現(xiàn)級任務征集于2006年重新啟動。NASA共收到24份提案，并從中遴選出3項進入概念研究階段。經(jīng)過一年多的評估與論證，NASA最終選擇了圣杯號月球探測任務，并于2007年在美國地球物理聯(lián)合會年會上正式對外公布。

圣杯號沒有激進的科學構想，但它幾乎完美體現(xiàn)了改革后發(fā)現(xiàn)級計劃的核心精神：科學目標明確、技術路徑克制、管理經(jīng)驗成熟、成本控制透明。其科學目標也與NASA當時“重返月球、再赴火星”的長期戰(zhàn)略高度契合，同時將地球科學中成熟的雙星重力探測方法推廣至月球，為后續(xù)探測火星及其他行星的內(nèi)部結構奠定了方法基礎。

樸素的核心設計：兩顆衛(wèi)星、一個科學載荷

雖然“圣杯號”這個名字來源于神話中的圣物，但是它的核心設計卻異常樸素：兩顆探測衛(wèi)星在月球軌道上編隊飛行，通過精確測量彼此之間距離的微小變化，反演（即通過觀測到的結果數(shù)據(jù)，去推求產(chǎn)生這些結果的原因）月球重力場的微小起伏，從而推斷探測器之下的質(zhì)量分布和月球全球內(nèi)部結構。

這種衛(wèi)星重力測量方法主要依賴衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，能夠以相對低的成本獲得全球重力場數(shù)據(jù)，而不需要攜帶重力儀載荷或進行著陸探測。因此目前人類對地球以外天體內(nèi)部結構的認知，在很大程度上正是建立在衛(wèi)星重力測量數(shù)據(jù)之上。

圣杯號科學載荷也只有一個：月球引力測距系統(tǒng)（LGRS）。這個系統(tǒng)利用Ka波段微波信號，通過測量一顆衛(wèi)星接收另一顆衛(wèi)星信號所需的時間變化，來精確確定兩者之間的距離變化。這種測距方式歷史悠久、技術成熟，早已在多個航天任務中得到驗證，并在2002年發(fā)射的地球重力反演與氣候實驗（GRACE）任務中得到關鍵升級。圣杯號正是在這一技術基礎上，將高精度星間測距首次系統(tǒng)性應用于月球探測。作為月球引力測距系統(tǒng)關鍵組件的Ka波段天線在圖中也可以看到。

圣杯號探測器結構圖

低能耗繞行去月球

為了在成本和安全性之間取得最佳平衡，圣杯號采用了一條不同尋常的轉移軌道。2011年9月10日，圣杯號雙星從佛羅里達發(fā)射升空后，沒有像阿波羅飛船那樣直接奔向月球，而是繞經(jīng)太陽-地球L1拉格朗日點，沿一條耗時三個半月的低能轉移軌道緩緩駛向月球。

圣杯號運載火箭的有效載荷整流罩正在安裝（左）。圣杯號探測器于2011年9月10日從佛羅里達卡納維拉爾角空軍基地，用一枚Delta-Il 7920H火箭成功發(fā)射（右）。

以日心固定坐標系顯示的圣杯號月球轉移巡航軌跡，視角垂直于道平面。-A為A星軌道（紅色），-B為B星軌道（藍色），EL1為太陽-地球拉格朗日L1點。TCM是軌道修正，例如TCM-A1即A星第1次軌道修正。LOI意為進入月球軌道。

這種“繞路”的設計雖然延長了飛行時間，卻在工程上帶來了顯著優(yōu)勢：發(fā)射窗口從幾天延長至40余天；進入月球軌道所需的速度變化更??；兩個探測器可錯開25小時進入月球軌道，從而避免在同一天執(zhí)行多個高風險操作。同時，較長的巡航階段也為航天器與科學載荷的全面檢查、超穩(wěn)振蕩器的穩(wěn)定，以及航天器排氣處理*提供了充足時間。

*：為了在主任務階段避免氣體噴出對航天器軌道和姿態(tài)產(chǎn)生擾動，影響重力測量的精度，需要預先排出內(nèi)部的氣體。

抵達月球后，雙星在兩個月內(nèi)逐步降低軌道高度，最終進入距月面約55千米高度的近圓軌道并開始科學觀測。精確維持兩顆探測器之間的相對距離，是整個任務中最具挑戰(zhàn)性的環(huán)節(jié)之一。在89天的主任務期間，僅需1次軌道機動即可控制漂移速率；而在更低軌道的擴展任務中，則需要每周進行多次修正。

主任務結束后，圣杯號又獲批了為期106天的擴展任務，軌道高度進一步降低至約23千米，使重力觀測的空間分辨率顯著提升。2012年11月底，雙星經(jīng)歷一次半影月食后，軌道甚至下降至約11千米。在任務的最后階段，圣杯號對月球最年輕的大型撞擊結構東海盆地進行了極為精細的重力觀測。

2012年12月17日，在完成所有的科學目標后，兩顆探測器實施了燃料耗盡點火，然后離軌撞擊月面，干凈利落地結束了這次不張揚卻意義深遠的探月旅程。