圣杯號(hào)任務(wù)將雙星編隊(duì)精密測量重力場的技術(shù)首次應(yīng)用到地外天體，以前所未有的精度，顯著深化了人類對(duì)月球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)及熱演化歷史的認(rèn)識(shí)。它以簡潔而巧妙的技術(shù)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(xué)的丁忞副教授和北京航空航天大學(xué)的徐璐媛副教授詳細(xì)解讀圣杯號(hào)任務(wù)。丁忞致力于類地行星重力場和內(nèi)部動(dòng)力學(xué)研究，徐璐媛關(guān)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(yáng)

圣杯號(hào)探測任務(wù)通過雙星軌道的相對(duì)變化測量月球重力場，從而揭示月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(gè)科學(xué)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(jì)初期，美國航天局（NASA）啟動(dòng)了一項(xiàng)看似低調(diào)，卻深刻改變?nèi)祟悓?duì)月球認(rèn)知的探測任務(wù)——圣杯號(hào)（GRAIL，全稱是Gravity Recovery and Interior Laboratory，重力反演與內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室）。這是一項(xiàng)沒有著陸器，沒有高清相機(jī)，甚至沒有新技術(shù)噱頭的任務(wù)，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(shí)

NASA的發(fā)現(xiàn)級(jí)計(jì)劃（Discovery Program）誕生于20世紀(jì)90年代，其核心理念可以概括為一句廣為人知的口號(hào)：“更快、更優(yōu)、更省”（faster，better，cheaper）。與動(dòng)輒耗時(shí)十余年、預(yù)算高達(dá)數(shù)十億美元的旗艦級(jí)計(jì)劃不同，發(fā)現(xiàn)級(jí)計(jì)劃由科學(xué)家主導(dǎo)，通過公開競爭遴選任務(wù)概念和方案，在嚴(yán)格的4.5億美元成本上限內(nèi)追求盡可能高的科學(xué)回報(bào)。這個(gè)計(jì)劃先后支持了火星探路者號(hào)（Mars Pathfinder）、月球勘探者號(hào)（Lunar Prospecter）、星塵號(hào)（Stardust）、信使號(hào)（MESSENGER）、深度撞擊號(hào)（Deep lmpact）、黎明號(hào)（Dawn）、洞察號(hào)（InSight）等14個(gè)太陽系探測任務(wù)，使行星探測在有限預(yù)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(jìn)入21世紀(jì)后，這一低成本探測理想開始遭遇現(xiàn)實(shí)考驗(yàn)。隨著任務(wù)復(fù)雜度提升，多個(gè)項(xiàng)目出現(xiàn)了明顯的成本增長和進(jìn)度壓力，原本被認(rèn)為“可控”的技術(shù)與管理風(fēng)險(xiǎn)逐步凸顯，這使得原計(jì)劃于2000年發(fā)布的任務(wù)征集公告多次推遲乃至最終取消。

與此同時(shí)，NASA整體預(yù)算環(huán)境趨緊，不同任務(wù)線之間開始爭奪有限的項(xiàng)目預(yù)留資金，發(fā)現(xiàn)級(jí)計(jì)劃賴以生存的“低成本優(yōu)勢”受到嚴(yán)重沖擊。面對(duì)這一局面，NASA對(duì)發(fā)現(xiàn)級(jí)計(jì)劃進(jìn)行了系統(tǒng)性反思，并推動(dòng)了一系列制度改革，包括強(qiáng)化技術(shù)-管理-成本評(píng)估、提高強(qiáng)制性成本預(yù)留比例、重新界定首席科學(xué)家職責(zé)等。

改革完成后，新的發(fā)現(xiàn)級(jí)任務(wù)征集于2006年重新啟動(dòng)。NASA共收到24份提案，并從中遴選出3項(xiàng)進(jìn)入概念研究階段。經(jīng)過一年多的評(píng)估與論證，NASA最終選擇了圣杯號(hào)月球探測任務(wù)，并于2007年在美國地球物理聯(lián)合會(huì)年會(huì)上正式對(duì)外公布。

圣杯號(hào)沒有激進(jìn)的科學(xué)構(gòu)想，但它幾乎完美體現(xiàn)了改革后發(fā)現(xiàn)級(jí)計(jì)劃的核心精神：科學(xué)目標(biāo)明確、技術(shù)路徑克制、管理經(jīng)驗(yàn)成熟、成本控制透明。其科學(xué)目標(biāo)也與NASA當(dāng)時(shí)“重返月球、再赴火星”的長期戰(zhàn)略高度契合，同時(shí)將地球科學(xué)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(jié)構(gòu)奠定了方法基礎(chǔ)。

樸素的核心設(shè)計(jì)：兩顆衛(wèi)星、一個(gè)科學(xué)載荷

雖然“圣杯號(hào)”這個(gè)名字來源于神話中的圣物，但是它的核心設(shè)計(jì)卻異常樸素：兩顆探測衛(wèi)星在月球軌道上編隊(duì)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(jié)果數(shù)據(jù)，去推求產(chǎn)生這些結(jié)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(jié)構(gòu)。

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(duì)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(jìn)行著陸探測。因此目前人類對(duì)地球以外天體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)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(hào)科學(xué)載荷也只有一個(gè)：月球引力測距系統(tǒng)（LGRS）。這個(gè)系統(tǒng)利用Ka波段微波信號(hào)，通過測量一顆衛(wèi)星接收另一顆衛(wèi)星信號(hào)所需的時(shí)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(shù)成熟，早已在多個(gè)航天任務(wù)中得到驗(yàn)證，并在2002年發(fā)射的地球重力反演與氣候?qū)嶒?yàn)（GRACE）任務(wù)中得到關(guān)鍵升級(jí)。圣杯號(hào)正是在這一技術(shù)基礎(chǔ)上，將高精度星間測距首次系統(tǒng)性應(yīng)用于月球探測。作為月球引力測距系統(tǒng)關(guān)鍵組件的Ka波段天線在圖中也可以看到。

圣杯號(hào)探測器結(jié)構(gòu)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(hào)采用了一條不同尋常的轉(zhuǎn)移軌道。2011年9月10日，圣杯號(hào)雙星從佛羅里達(dá)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(diǎn)，沿一條耗時(shí)三個(gè)半月的低能轉(zhuǎn)移軌道緩緩駛向月球。

圣杯號(hào)運(yùn)載火箭的有效載荷整流罩正在安裝（左）。圣杯號(hào)探測器于2011年9月10日從佛羅里達(dá)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(biāo)系顯示的圣杯號(hào)月球轉(zhuǎn)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(lán)色），EL1為太陽-地球拉格朗日L1點(diǎn)。TCM是軌道修正，例如TCM-A1即A星第1次軌道修正。LOI意為進(jìn)入月球軌道。

這種“繞路”的設(shè)計(jì)雖然延長了飛行時(shí)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(jìn)入月球軌道所需的速度變化更??；兩個(gè)探測器可錯(cuò)開25小時(shí)進(jìn)入月球軌道，從而避免在同一天執(zhí)行多個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)操作。同時(shí)，較長的巡航階段也為航天器與科學(xué)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(shí)間。

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

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

主任務(wù)結(jié)束后，圣杯號(hào)又獲批了為期106天的擴(kuò)展任務(wù)，軌道高度進(jìn)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(wù)的最后階段，圣杯號(hào)對(duì)月球最年輕的大型撞擊結(jié)構(gòu)東海盆地進(jìn)行了極為精細(xì)的重力觀測。

2012年12月17日，在完成所有的科學(xué)目標(biāo)后，兩顆探測器實(shí)施了燃料耗盡點(diǎn)火，然后離軌撞擊月面，干凈利落地結(jié)束了這次不張揚(yáng)卻意義深遠(yuǎn)的探月旅程。

由阿波羅11號(hào)宇航員于1969年在月球拍攝的“地升”

這么一個(gè)樸素且低調(diào)的項(xiàng)目，它究竟拿下了哪些改寫月球認(rèn)知的重磅成果？沒有高清鏡頭，它是怎么實(shí)現(xiàn)高分辨率拍攝的呢？任務(wù)過程中經(jīng)歷了哪些曲折？

歡迎閱讀《科學(xué)世界》2026年第4期星際征途欄目文章——《圣杯號(hào)：用高精度重力場揭示月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化》。

作者簡介

丁忞，南方科技大學(xué)副教授。從事行星內(nèi)部地球動(dòng)力學(xué)和重力學(xué)研究，博士后期間曾參與圣杯號(hào)任務(wù)的研究工作。

徐璐媛，北京航空航天大學(xué)副教授。長期從事行星遙感與行星地質(zhì)學(xué)教學(xué)科研工作。主要關(guān)注太陽系固態(tài)天體上的撞擊過程和撞擊產(chǎn)物分布。

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本文摘編自雜志2026年第4期，文章內(nèi)容略有刪改。

實(shí)習(xí)編輯 | 扶佳燕