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重力回溯及內部結構實驗室

重力回溯及內部結構實驗室（Gravity Recovery and Interior Laboratory, GRAIL，或譯為重力重建與內部結構實驗室，或聖盃號）是美國NASA的發現任務中的月球探測任務。該任務將精確探測並繪製月球的重力場圖以判斷月球內部構造。使用的兩個小型探測器 GRAIL A（Ebb）和 GRAIL B（Flow），已於2011年9月10日以德爾塔-2運載火箭最強力的型號 7920H-10 發射。兩台探測器分別於2011年12月31日和2012年1月1日進入軌道。2012年12月13日，NASA表示，GRAIL太空船兩具小型探測器之“1年任務”已完成。署方計劃於美東時間12月17日促其撞毀於月表。

中文名: 重力回溯及內部結構實驗室
外文名: Gravity Recovery and Interior Laboratory, GRAIL

別名: 重力重建與內部結構實驗室
項目估計耗資: 3.75億美元左右

重力回溯及內部結構實驗室簡介

聯合發射同盟的Delta II重型火箭發射GRAIL ^[1]

美國宇航局2007年12月11日發佈一份新聞公報稱，美國將實施一項新的探月項目，目標是探測月球的內部結構和演化歷史。

新的探月項目全名為“重力恢復和內部實驗室”，按英文單詞首字母縮寫簡稱為GRAIL。美國宇航局説，整個項目估計耗資3.75億美元左右，探測器預計將於2011年發射升空，由宇航局下屬的噴氣推進實驗室負責運行和管理。

公報介紹説，GRAIL項目將採用雙子衞星探測器系統，兩顆衞星與探測器脱離後將一前一後結伴在繞月軌道上飛行幾個月，以“前所未有的精細度”測量出月球的重力場。根據重力場信息，科學家可以從月殼到月核徹底分析月球，揭示月球表面之下的結構，並由此間接得出月球內部的熱量演化歷史。

美國宇航局稱，GRAIL項目的探測數據還將有助於回答長期以來有關月球的一些疑難問題，為科學家更好地理解地球以及太陽系中其他巖狀行星的形成提供新線索。

對月球進行勘測

GRAIL項目的重力場測量技術源自此前美、德合作的“格雷斯”(GRACE，重力恢復和氣候試驗)雙子地球衞星系統。美國宇航局負責科學探測的副局長艾倫·斯特恩説，他們將用於地球探測的創新技術應用到月球探測領域，這只是第一步，將來還會嘗試用於火星或其他行星的探測。

根據美國的“新太空探索計劃”，美國人2020年前將重返月球。此前美國宇航局已計劃於2008年發射“月球勘測軌道飛行器”，該飛行器至少繞月飛行一年。^[1]

重力回溯及內部結構實驗室軌道

GRAIL 的科學任務將進行 90 天。在科學任務（或延伸任務）結束後，預計將進行 5 天的除役期，之後探測器經過 40 天后會撞擊月球表面。使用的重力場測繪技術相當類似於重力量測及氣候監控衞星（Gravity Recovery and Climate Experiment, GRACE），而衞星本體設計則基於 XSS-11。

GRAIL 等待發射

兩台探測器的入軌日分別是2011年12月31日 (2011-12-31)（RAIL-A）和2012年1月1日 (2012-01-01)（GRAIL-B）。

不像阿波羅計劃只花了三天就從地球到達月球，GRAIL 將花費三到四個月時間經由日-地L1拉格朗日點的低耗能轉換軌道前往月球以減少所需燃料、保護儀器和確保兩台探測船到達月球時能讓速度下降夠多以使環繞高度到達極低的 50 公里；以及兩台隔24小時到達的探測器距離能保持在 175 到 225公里。飛行計劃中如此嚴格的公差使得誤差修正的空間相當小，造成發射窗口時間只有一秒，且一天只有兩次。

GRAIL 計劃的主持人是麻省理工學院的瑪麗亞·祖柏（Maria Zuber）。該任務團隊中的專家與工程師也包含了前 NASA 太空人薩莉·萊德，她將進行對大眾推廣該任務。噴氣推進實驗室負責操作該任務。直到2011年8月5日，該任務已花費4.96億美金。^[2]

重力回溯及內部結構實驗室命名

發射前技師關閉 GRAIL 的酬載護罩

該計劃探測器GRAIL A和GRAIL B在發射後，NASA向全美國小學生公開徵求命名，總共有來自美國45個州和波多黎各、華盛頓特區900個班級的小學生參與，最後由蒙大拿州博茲曼市一個小學四年級學生建議的Ebb和Flow獲選。

重力回溯及內部結構實驗室目的

每個探測船都可和地球或另一個探測船之間互相傳送與接收訊息。藉着量測兩個探測船之間的距離變化可得知月球重力場和地質結構。月球重力場將會以前所未有的精確度測繪。

主要目的

繪製月球外殼和岩石圈構造圖。

瞭解月球的不對稱熱演化。

重力回溯及內部結構實驗室

確認月球表面撞擊坑的結構和質量瘤由來

確認月球外殼角礫岩和岩漿作用造成的短時間演變

確認月球內部深處結構

確認月球內核的最大體積

該任務資料接收狀態將持續 90 天，之後將花費 12 個月進行資料分析。分析結果將在收集開始後30天公佈。所獲得的知識將可幫助瞭解類地行星的演化歷史

重力回溯及內部結構實驗室儀器

Ka波段測距組件 (Ka band ranging assembly, KBR)

電波科學指標 (Radio science beacon, RSB)

Moon Knowledge Acquired by Middle school students (MoonKam)。每個 MoonKAM system （兩台探測器各一個）包含一個數位視訊控制器和四個照相機鏡頭

重力回溯及內部結構實驗室發射

重力回溯及內部結構實驗室

以下時間都是EDT (UTC-4).

GRAIL 於 2011-09-10 09:08:52 成功發射，先前有四次因為天氣因素推遲發射。

重力回溯及內部結構實驗室任務

重力回溯及內部結構實驗室任務狀態

GRAIL 任務的兩台小探測器已於2011年9月10日發射。GRAIL 經由日-地L1 拉格朗日點的低耗能轉換軌道前往月球以減少所需燃料、保護儀器和確保兩台探測船到達月球時能讓速度下降夠多以使環繞高度到達極低的 50 公里；以及兩台隔24小時到達的探測器距離能保持在 175 到 225公里。GRAIL-A於2011年12月31日 (2011-12-31) 入軌，GRAIL-B於2012年1月1日 (2012-01-01) 入軌。

重力回溯及內部結構實驗室任務結束

2012年12月17日太平洋標準時間下午2點28分(北京時間18日3時28分)，美國宇航局兩顆環繞月球軌道運行的探測器——“埃布”號和“弗洛”號將在科學家的控制下墜落月球，最後撞擊北極的一座月球山。這兩顆探測器用於幫助科學家進一步瞭解月球的內部結構及構成。

由於所處軌道較低加之燃料不足，“埃布”號和“弗洛”號重力回溯及內部結構實驗室(以下簡稱GRAIL)探測器無法進行進一步的科學考察任務，促使科學家決定進行撞月。

重力回溯及內部結構實驗室(4張)

“埃布”號和“弗洛”號將要撞擊的月球山位於“古爾德施密特”隕坑。1月1日以來，這兩顆探測器便以編隊飛行的方式環繞月球。它們的名字是在一場徵集名字比賽中獲勝的來自於蒙大納州波茲曼的小學生所取。“埃布”號將首先撞月，具體時間為太平洋標準時間下午2點28分零40秒，“弗洛”號將在大約20秒後撞月。兩顆探測器撞擊月表時的速度將達到每小時3760英里(約合每秒1.7公里)。由於撞擊區處在陰暗區，科學家無法獲取撞擊影像。

在撞月前，“埃布”號和“弗洛”號將進行一項實驗，也是它們的最後一項實驗。它們將啓動主發動機，直到耗盡燃料，以確定油箱內剩餘燃料數量。這將幫助宇航局工程師創建燃料消耗電腦模型，提高預測未來任務所需燃料數量的準確度。

由於“埃布”號和“弗洛”號的剩餘燃料量仍是一個未知數，任務導航人員和工程師決定讓兩顆探測器耗光燃料，讓探測器在幾小時內逐漸墜落，直至撞擊目標。

啓動主發動機將改變“埃布”號和“弗洛”號的軌道，確保撞擊按計劃進行。勒赫曼表示：“這是一種非常獨特的任務結束方式，需要進行全面而細緻的任務規劃和導航。我們在實施這項任務時面臨一系列挑戰，也取得很多成就。在我認識的人裏，還沒有一個人參與過撞擊月球山的任務。這是我們的第一次。”

GRAIL任務由宇航局位於華盛頓的科學任務理事會委託噴氣推進實驗室負責。這項任務是宇航局馬歇爾太空飛行中心的“探索計劃”一部分。“埃布”號和“弗洛”號探測器由洛克希德-馬丁公司太空系統部門製造。噴氣推進實驗室隸屬於加州理工學院。^[3]