30 年前：克莱门汀改变了我们对月球的看法

1994 年，美国宇航局和国防部 (DOD) 联合执行的一项名为“克莱门汀”的任务极大地改变了我们对月球的看法。 作为二十多年来美国首次登月任务，克莱门汀的主要目标是进行技术演示，以测试轻型组件和传感器的性能。 航天器上的轻型传感器传回了 160 万张数字图像，提供了第一张全球月球多光谱和地形图。 雷达仪器的数据表明，大量的水冰可能位于月球南极永久阴影的陨石坑中，而其他极地地区可能仍处于接近永久的阳光照射下。 尽管技术问题阻止了小行星的计划飞越，但克莱门汀对月球的研究证明了技术演示任务可以完成重要的科学任务。

左：华盛顿特区史密森学会国家航空航天博物馆 (NASM) 展出的 Clementine 工程模型 图片来源：NASM 提供。 右：Clementine 主要部件和传感器的示意图。

国防部战略防御倡议组织 (1993 年更名为弹道导弹防御组织) 负责指导克莱门汀项目，正式名称为深空计划科学实验。 位于华盛顿特区的海军研究实验室 (NRL) 负责管理任务设计、航天器制造和测试、运载火箭集成、地面支持和飞行操作。 位于加利福尼亚州利弗莫尔的劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 提供了九种科学仪器，包括轻型成像相机和测距传感器。 美国宇航局位于马里兰州贝尔茨维尔的戈达德太空飞行中心为月相提供轨迹和任务规划支持，美国宇航局位于加利福尼亚州帕萨迪纳的喷气推进实验室为小行星相遇以及深空通信和深空跟踪提供轨迹和任务规划网络。 克莱门汀的主要计划任务包括在恶劣的深空环境中测试新型轻型卫星技术。 作为次要任务，克莱门汀将使用其多个传感器对月球进行两个月的观察，然后离开月球轨道并前往 1620 Geographos，这是一颗 1.6 英里长的细长石质小行星。 克莱门汀号距离地球 530 万英里，将在距离近地小行星 62 英里的范围内飞行，利用其传感器套件返回图像和数据。

左图：技术人员在将克莱门汀运送到发射场之前，在消声室中准备进行测试。 中：工作人员将有效载荷罩降到已安装在泰坦 IIG 运载火箭上的克莱门汀上。 右图：克莱门汀号从范登堡空军（现为太空军）加利福尼亚州基地升空。

NASA/DOD 联合技术演示任务的最初想法始于 1990 年，并于 1992 年 3 月批准向 NRL 和 LLNL 提供资金，分别开始设计 Clementine 及其传感器。 在极其短暂的 22 个月内，航天器完成了设计、建造和测试，为飞行做好了准备。 克莱门汀号于 1994 年 1 月 25 日从位于加利福尼亚州范登堡空军基地（现为太空部队）的 4 号西太空发射综合体由泰坦 IIG 火箭发射升空。

克莱门汀从发射到进入月球轨道的轨迹。 图片来源：劳伦斯利弗莫尔国家实验室提供。

接下来的八天里，航天器在近地轨道上检查其系统。 2 月 3 日，固体火箭发动机点火，将其置于月球定相环轨道上，其中包括两次飞越地球以获得足够的能量到达月球。 在第一个轨道上，航天器抛弃了级间适配器子系统，该子系统在高椭圆地球轨道上停留了三个月，在反复穿过范艾伦辐射带时收集辐射数据。 2月19日，克莱门汀号启动了自己的发动机，将航天器送入了周期为8小时的高椭圆极地月球轨道。 两天后的第二次燃烧使克莱门汀进入了 5 小时测绘轨道。 第一个测绘周期于2月26日开始，持续一个月，第二个周期于4月21日结束，随后进行专项观测。

左：月球南极地区的合成图像。 左中：第谷陨石坑的图像。 右中：里德伯格陨石坑的图像。 右：月球北极地区的合成图像。

在测绘的第一个月，克莱门汀轨道的最低点位于南半球上空，以便在南极地区获得更高分辨率的图像和激光测高。 克莱门汀号调整了轨道，将低点置于北半球上空，进行第二个月的测绘，以更高分辨率对北极地区进行成像。 克莱门汀在轨道上度过了最后两周，填补了所有空白，并进行了额外的研究，寻找北极地区的冰。 Clementine 在 71 天的时间和 297 个月球轨道上对月球进行了成像，返回了 160 万张数字图像，其中许多图像的分辨率为 330 英尺。 它以从近紫外线到可见光到远红外线的波长绘制了月球的整个表面，包括极地区域。 激光测高仪提供了第一张月球全球地形图。 阿波罗任务的类似数据仅绘制了航天器轨道路径下方的月球赤道区域。 航天器的无线电跟踪完善了我们对月球重力场的了解。 克莱门汀发现，在极地附近的区域，永久阴影的陨石坑底部可能存在大量水冰，这一发现对未来的探索任务具有重要意义。 相反，克莱门汀发现了两极附近的其他地区可能保持着接近永久的阳光，为未来的探险家提供了丰富的能源。 1994 年 12 月 16 日发行 科学，卷。 266，第 5192 期，发表了 Clementine 的早期结果。 Clementine 项目团队组装了一系列 得到教训 来自帮助未来航天器开发和运行的任务。

左：根据 Clementine 图像创建的月球全球地图。 右：基于克莱门汀数据的月球全球地形图。

左：克莱门汀从月球轨道拍摄的地球合成图像。 左中：月球北极上空的整个地球的彩色图像。 右中：被地球光芒、日冕和金星照亮的月球的彩色增强视图。 右：地球照亮的月球、日冕以及土星、火星和水星的彩色增强图像。

月球观测时间结束后，克莱门汀于 5 月 5 日离开月球轨道，通过另外两次地球重力辅助飞越前往地理号。 不幸的是，两天后，计算机故障导致航天器的一个姿态控制推进器失火了 11 分钟，消耗了宝贵的燃料，并使克莱门汀号以每分钟 80 转的速度旋转。 这个问题将大大减少计划于八月飞越小行星的数据返回，管理人员决定将航天器保持在椭圆形地心轨道上。 六月份的一次电源故障导致克莱门汀的遥测数据无法理解。 7月20日，月球引力推动航天器进入太阳轨道，任务于8月8日正式结束。1995年2月20日至5月10日期间，地面控制人员短暂恢复了联系，但克莱门汀没有传输任何有用的数据。

尽管地理号飞越失败，克莱门汀留下了一份持久的遗产。 这次任务表明，主要作为技术演示而设计的飞行可以完成重要的科学任务。 克莱门汀返回的数据彻底改变了我们对月球历史和演化的认识。 月球两极独特环境的发现，包括永久阴影区域可能存在大量水冰，改变了未来科学任务和人类探索的前景。 随后的科学任务，例如美国宇航局的月球勘探者和月球勘测轨道飞行器、中国的嫦娥飞船和印度的月船飞船，都是建立在克莱门汀最初获得的知识的基础上的。 目前的无人飞行任务以月球极地地区为目标，为轨道观测增添地面真相，美国宇航局的阿耳忒弥斯计划打算让第一位女性和第一位有色人种登陆该地区，作为可持续月球探索的一步。