[PSS] Ranger and Apollo S-IVB spacecraft impact craters (Plescia 等人，2016)

引用：Plescia, J. B., Robinson, M. S., Wagner, R., & Baldridge, R. (2016). Ranger and Apollo S-IVB spacecraft impact craters. Planetary and Space Science, 124, 15-35.

摘要：在过去的几十年月球探索中，已有众多航天器撞击过月球表面。这些撞击主要分为两类：一类是由地球直接发射的航天器形成的高角度撞击，另一类是由环月轨道航天器形成的低角度撞击。本文重点探讨了"徘徊者"号（Ranger）航天器和"阿波罗（Apollo）"S-IVB推进器形成的撞击坑。"徘徊者"航天器质量约370公斤（816磅），以2600米/秒的速度撞击月表，形成直径约14-15米的陨石坑；S-IVB推进器质量约14,000公斤（30865磅），以约2600米/秒的速度撞击，形成直径约35米的陨石坑。由于撞击体整体密度较低（S-IVB和"徘徊者"分别为28与700千克/立方米），这些撞击具有显著特殊性。"徘徊者"形成的陨石坑与其他月海陨石坑相似，其挖掘过程受到下层固态玄武岩的阻碍。而S-IVB撞击坑则呈现非圆形特征，并具有细长中央隆起结构，显示其挖掘过程虽同样与玄武岩层相互作用，但比"徘徊者"陨石坑更为复杂。这些陨石坑的溅射物与辐射纹呈不对称分布，表明挖掘流场随时间变化且未沿轨迹方向对称发展。

1. Introduction

月球表面布满了直径从微米到数百公里不等的撞击坑。几乎所有撞击坑都是宇宙抛射体（如彗星、小行星）撞击的结果。然而有少数撞击坑是由航天器撞击形成的——这些航天器或是被有意撞向月表，或是因轨道衰减而坠落。这些"人为"撞击坑具有重要的研究价值，原因如下：此类撞击坑可作为大规模成坑实验样本，因为在多数情况下其撞击参数（如质量、速度、撞击角度和撞击时间）都已被准确掌握。这些撞击坑的特殊性在于，它们是由具有极低体积密度的低速抛射体形成的，这与典型的宇宙抛射体截然不同。以S-IVB火箭推进器和登月舱上升段为例，它们产生的震波信号被用于阿波罗月震实验，因此其精确坐标的测定能为月球内部速度模型提供更可靠的约束条件。由于这些撞击坑的形成年代确切可知，它们还能作为太空风化过程的校准基准点。

任何留在月球轨道上的航天器一旦无法维持稳定轨道，最终都会坠毁在月表。大多数情况下，这类撞击发生在航天器失去跟踪之后，因此撞击点位置未知。少数航天器在坠毁过程中被持续追踪，其撞击点位置可估算至数公里误差范围内，从而能通过高分辨率影像数据轻松定位并勘测。由于位置信息不明确，其撞击痕迹湮没在众多新鲜小陨石坑中的航天器包括：美国早期月球轨道器、苏联部分月球号探测器，以及近期的SMART-1、月船1号、嫦娥一号、辉夜姬和飞天号探测器。LCROSS的牧羊人卫星及其助推器坠入卡比厄斯环形山的永久阴影区。GRAIL和LADEE航天器撞击月表后，通过比对撞击前后图像确认了其形成的撞击坑——这些航天器的位置数据通过跟踪获得了相对精确的定位。

Ranger 8号撞击坑最初是从月球轨道飞行器图像中识别出来的（Baldwin，1967；Moore，1972）。Ranger 7号、8号、9号以及阿波罗13号和14号S-IVB级火箭的撞击坑出现在阿波罗16号任务拍摄的哈苏相机、全景相机和测量相机图像中（Whitaker，1972）。阿波罗14号登月舱上升段的暂定识别结果也由Whitaker（1972）作出。这些图像分辨率相对较低，撞击坑解析度较差，难以辨别细节。月球勘测轨道飞行器（LRO）搭载的相机（LROC）提供的数据使人们能够更全面地了解这些撞击坑，并在某些情况下提供地形信息。本文报告了Ranger航天器和阿波罗S-IVB助推器撞击形成的陨石坑。表1列出了发射和撞击日期，表2列出了撞击坑的位置，表3列出了这些事件的撞击参数。

2. Data source

月球勘测轨道飞行器相机系统（LROC）（Robinson等人，2010年）包含两台黑白窄角相机（NAC）和一台多光谱广角相机（WAC）。每台NAC由700毫米焦距、f/3.58的Richey-Chretien望远镜组成，视场角为2.85°，并配备5064像素的线阵探测器（柯达KLI-5001G），像素尺寸为7微米（瞬时视场角为10微弧度）。两台NAC略微偏移（右NAC相对于左NAC偏移2.85°），组合视场角为5.7°。在50公里的标准测绘高度下，单个像素的地表分辨率为0.5米，左右NAC图像的交叉轨道宽度为5公里，沿轨道方向约为26公里。

WAC采用推帧成像技术，紫外（UV）波段和七个可见光（VIS）波段分别配备独立光学系统。在七波段彩色模式下，VIS视场角为61°；在黑白模式下，视场角为90°。VIS波段的瞬时视场角为1.5毫弧度，在50公里轨道高度下的分辨率为75米/像素。UV通道的瞬时视场角为2.0毫弧度，信号读出时采用4×4像素合并，在50公里轨道高度下的分辨率为375米/像素。

​​​​​​由于跟踪数据，本文所研究的撞击坑位置大致已知，其中一些如前所述已在阿波罗图像中被识别。Roncoli（2005年）提供了月球航天器着陆点和撞击点坐标的汇编；这些坐标被用作搜索的起点。然而，在共同参考系中，这些撞击坑的位置仍存在数公里的不确定性，且其尺寸和形态特征缺乏明确界定。研究团队通过多次拍摄机会获取目标区域的窄角相机（NAC）图像，直至识别出撞击坑。确定位置后，又在不同光照和几何条件下对该特定位置进行额外NAC观测，以支持形态学、地形学和反照率研究，并提供更精确的表面坐标（Wagner等人，2016年）。

LROC图像是使用美国地质调查局开发的成像仪与光谱仪集成软件（ISIS）进行处理的（Anderson等人，2004年）。航天器的位置和指向信息由月球勘测轨道飞行器（LRO）项目以SPICE格式提供（Acton，1996年）。这些陨石坑及周边区域的数字高程模型（DEM）源自NAC和WAC立体测量模型（Burns等人，2012年；Scholten等人，2012年；Henriksen等人，2016年）。NAC图像生成的地形数据像素分辨率为2-5米，WAC图像则为100米。对于大多数研究对象，我们采用NAC衍生的2-5米/像素数字高程模型，其绝对垂直精度优于1.5米（Henriksen等人，2016年）。

截至本文撰写时，月球勘测轨道飞行器（LRO）仍正常运行，但轨道已从准圆形50公里测绘轨道调整为椭圆形轨道（30×200公里），以实现更长期的轨道稳定性并降低燃料消耗。调整后，飞行器在出现多数陨石坑的北半球上空高度超过100公里，目前仅能获取较低分辨率图像（1-2米像素尺度）。这一较高轨道高度限制了观测质量，无法超越已有数据水平。

关于Ranger号航天器、阿波罗S-IVB助推器及飞行信息的大部分技术细节，均收录于NASA与喷气推进实验室（JPL）出版的一系列技术报告中。这些文件可通过NASA科技信息项目网站(http://www.sti.nasa.gov/)获取。

2.1. Spacecraft

2.1.1. Ranger

Ranger航天器（图1）于1962至1965年间发射（Hall，1977年文献），代表了美国首次尝试向月球发送航天器（表1）。获取米级精度的月球表面图像以辅助未来着陆器设计，是该计划的首要科学目标。每艘Ranger航天器实时采集并传回分辨率持续提升的图像，直至航天器撞击月表。

图1. Ranger航天器。上图展示了Block III航天器模型的照片。下图是用彩色线条绘制的主要部件示意图。 来源：美国国家航空航天局（NASA）并基于NASA资料修改。（关于本图例中颜色引用的说明，读者可参阅本文网络版。）

共计发射了9艘Ranger探测器，其中仅有5艘（4号、6号、7号、8号和9号）成功撞击月球。1号与2号（第一代构型）均遭遇发射失败。3至5号为第二代构型：3号偏离月球轨道，4号太阳能板展开失败导致科学数据丢失但仍实现月面撞击，5号脱靶。第三代构型任务（6至9号）全部成功撞月，但6号的摄像系统发生故障（Hall，1977年）。

Ranger计划首次提供了月球表面的高分辨率图像（相对地球观测视角，最高达50厘米/像素），最终传回的影像证实月表布满撞击坑，普遍缺乏大型岩块，且这些环形结构极可能源自天体撞击。该计划摄影成果的关键价值在于直接证实了坑间区域具有足够平坦光滑的地形特征，可满足航天器着陆需求（Baldwin，1967年；Chapman，1968年；Kopal，1966年；Miller，1965年；Moore，1968年；Shoemaker等，1965年、1966年；Trask，1967年、1970年、1972年）。

第三代Ranger航天器采用铝制框架结构，主体横跨1.5米，包含安装成像系统的截锥形舱段（图1）。航天器总高度为3.6米，框架两侧延伸出天线与两块太阳能板。每块太阳能板尺寸为73.9厘米宽×153.7厘米长，含太阳能板在内的最大跨距达3.6米。

从整体体积考量，Ranger具有相对较低的整体密度。电视系统安装在主体结构上方的截锥舱段内，质量约193公斤（425磅）；主体结构质量约172公斤（380磅），合计总质量约365公斤（805磅）。虽然密度分布不均匀，但若仅计算主体结构体积与质量（不含太阳能板），航天器整体密度约为700千克/立方米。

所有Ranger航天器均以长轴与月表呈倾斜角度的姿态撞击月面。

2.1.2. Saturn S-IVB

土星（S-IVB）助推器是土星发射系统的第三级，它将阿波罗指令舱和服务舱（CSM）以及登月舱（LM）送入飞往月球的轨道。一旦建立了月球轨道，CSM分离、调头并与储存在S-IVB级顶部的LM对接。对接和分离完成后，13至17次任务的S-IVB被送上独立的月球轨道，目的是为阿波罗地震实验提供大量能源（表1）。阿波罗11号和12号的S-IVB则被送入日心轨道。

S-IVB飞行器包括多个结构部件：燃料箱、J2发动机和土星五号仪器环（McFadden和Salzberg，1970；Pinson，1973；SFWG-土星飞行评估工作组1970、1971a、1971b、1972、1973）。助推器空重约9600公斤（21164磅），J2发动机重1788公斤（3942磅），仪器环重约2000公斤（4409磅），撞击时总质量约14000公斤（30865磅）。S-IVB助推器直径为6.6米，长度约18米（包括J2发动机喷管）。

尽管S-IVB火箭的质量很大，但其体积密度非常低（23千克/立方米），因为其大部分体积由空燃料箱构成。由于J2发动机的位置，火箭的重心位于助推器底部附近。任务文件（McFadden和Salzberg，1970；Pinson，1973；土星飞行评估工作组，1970、1971a、1971b、1972、1973）报告称，这些S-IVB火箭很可能处于"翻滚状态"（可能围绕所有三个轴旋转），因此在撞击时助推器轴线相对于月球表面的确切姿态尚不明确。

3. Results

Ranger号与S-IVB级火箭撞击坑的位置及尺寸数据通过多幅窄角相机图像测定，表中坐标数值为多次测量的平均值（表2）。部分撞击坑呈现非圆形特征。所有撞击坑在低入射角（即近正午时分，太阳矢量与表面法线夹角）观测时均显示出大范围的明亮溅射纹。

3.2.3. Apollo 15 S-IVB

阿波罗15号S-IVB级火箭的撞击点位于特纳陨石坑以东40公里处（Eggleton，1967年测定），坐落于月球岛海的-1099米海拔区域（数据源自WAC数字高程模型）。该区域地形整体呈现平缓的西北向倾斜趋势。月球勘测轨道飞行相机图像显示（图18与19），这个陨石坑呈现显著的非圆形特征：东北方向直径为36.4±0.8米，西北方向为28.4±0.5米。

陨石坑底部（图19）呈现东侧为丘陵状物质、西侧为台地式平坦表面的特征。台地表面看似高于东部坑底（尽管NAC数字高程模型未能解析坑底的高差细节），延伸长度约5至15米，呈北北东方向延伸。通过阴影测量和NAC高程模型测算，该陨石坑深度约1米。

坑内反射率存在显著变化，在强光照条件下尤为明显（图18）。两处低反射率区域横贯坑底并延伸至内侧坑壁，每处宽约4米，中间被5-6米宽的高反射率隔离带分隔。低反射区域比坑外未受扰动区域暗20-25%；亮色隔离带比暗区亮10%，但比坑外区域仍暗10%。这种表面反射率变化现象遍布整个坑底，并延伸至坑缘内外，与任何特定地形形态或地貌特征均无直接关联。

陨坑边缘环绕着一层连续的近端溅射物毯，其外缘呈不规则形态。这些溅射物从坑缘向外延伸10-25米，通常在东侧比西侧延伸得更远。近端溅射物通常比背景更明亮，但亮度随方位角变化（比背景高20-40%）。在西南侧坑缘处有一个异常明亮的溅射点，其亮度比背景高出约50%。

近端高反射率溅射物外围环绕着模糊的低反射率物质带。该物质从高反射率溅射物外缘向外延伸50-70米，反射率比周边区域低约10%。陨坑附近观察到若干直径约1米的散落岩块。根据Quaide和Oberbeck（1968）的方法估算，表土厚度约为1.97±1.0米。

一系列纤细辐射纹起始于陨坑内部并跨越坑缘延伸：部分仅延伸数十米，其他则超过500米。在高太阳高度角、低相位角图像中，这些辐射纹比背景反射率高约10%，随着距离增加亮度逐渐减弱。然而在高相位角图像中，辐射纹的反射率反而比周围区域低几个百分点。

4. Discussion

与大多数自然撞击相比，Ranger探测器与S-IVB火箭残骸形成的撞击坑具有以下特征：撞击体以较低速度（2.6公里/秒）沿倾斜轨迹（最大偏离垂直方向50°）撞击月表，且本身密度较低（20-30公斤/立方米和700公斤/立方米）。尽管密度和撞击速度较低，但在撞击过程中撞击体与月表仍存在刚性耦合——至少S-IVB的撞击事件被阿波罗月震网络清晰记录到了撞击产生的地震信号（Latham等学者，1970a，1970b）。

撞击参数（表3）与溅射物分布模式（图24、25）表明：这些撞击事件不同于固体撞击体（如流星体）高速撞击形成的典型撞击坑。虽然Ranger7号、9号形成的撞击坑接近圆形（撞击角度与水平面夹角≤64°），但6号、8号的撞击坑呈现非圆形（夹角≤42°），说明较浅的入射角导致了形状不对称。然而所有S-IVB撞击坑均呈非圆形，尽管每枚助推器的撞击角度相对陡峭（与水平面夹角55-77°）。Ranger与S-IVB撞击坑的溅射物不对称分布模式，更接近撞击角度低于水平面30°量级的斜向撞击特征。这些观测现象表明：撞击坑形态与溅射物分布主要受非几何因素控制，下文将就此展开探讨。

图24. 红色箭头指示游Ranger航天器撞击时的轨迹方向：a) Ranger6号，b) Ranger7号，c) Ranger8号，d) Ranger9号。每个图幅宽度为300米，上方为北方。

图25. 图中红色箭头标出S-IVB助推器撞击时的轨迹方向。(a)阿波罗13号，(b)阿波罗14号，(c)阿波罗15号，(d)阿波罗16号，(e)阿波罗17号。每幅图宽500米，上方为北方。

Ranger撞击坑的内部形貌与月球月海区同尺寸撞击坑基本相似；而S-IVB撞击坑则存在显著差异，表现为具有巨大拉长状的中心隆起。

5. Conclusions

Ranger航天器与阿波罗S-IVB助推器撞击形成的环形山具有独特性——与典型宇宙天体撞击相比，这些抛射体具有极低的体积密度和相对缓慢的撞击速度。Ranger撞击坑平均直径约15米，其内部形态（中央凹坑）可通过脆弱月壤层与下方坚硬玄武岩的强度差异来解释。S-IVB撞击坑规模更大（直径约33米）且呈非圆形，还具有独特的长条状中央隆起结构。

Ranger航天器撞击坑是月海小型撞击坑的典型代表，其挖掘过程部分受月壤层厚度及月壤-玄武岩界面强度差的控制。这种强度差异导致形成非碗状结构且带有中央凹坑的撞击坑，表明相对于撞击坑尺寸而言月壤层较薄。根据观测，Ranger航天器的有效密度并未对撞击坑形态产生其他显著影响。

S-IVB陨石坑的形态在月球撞击坑中独一无二。其非圆形轮廓与中央隆起可能源于撞击体的低密度及圆柱形结构（航天器撞击时的确切姿态未知），导致形成了不对称的挖掘流场。这种形态表明目标物质发生了浅层耦合与浅层不对称挖掘。陨石坑周边普遍缺乏巨砾的现象说明，虽然挖掘流场与深层玄武岩发生了相互作用，但并未显著挖掘出玄武岩物质。

无论是Ranger还是S-IVB撞击事件，喷出物均呈现出与轨迹方向不一致的非对称特征。喷出物模式与轨迹方向的差异表明，早期挖掘阶段并非沿轨迹方向对称进行，导致喷出物未沿轨迹方向均匀分布。Ranger撞击事件后期挖掘过程显然具有足够的对称性，从而形成圆形陨石坑；而S-IVB陨石坑呈现的非圆形轮廓与线状中央隆起，则表明其持续存在不对称挖掘现象。