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圣杯号：用很低的成本，看见了月球的最深处 | 科学世界·星际征途

2026-04-15 17:22

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

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圣杯号任务将双星编队精密测量重力场的技术首次应用到地外天体，以前所未有的精度，显著深化了人类对月球内部圈层结构及热演化历史的认识。它以简洁而巧妙的技术方案取得了突破性成果，成为月球探测史上的里程碑。

本期星际征途，由南方科技大学的丁忞副教授和北京航空航天大学的徐璐媛副教授详细解读圣杯号任务。丁忞致力于类地行星重力场和内部动力学研究，徐璐媛关注太阳系固态天体上的撞击过程及其产物分布。

专栏主持人：李荐扬

圣杯号探测任务通过双星轨道的相对变化测量月球重力场，从而揭示月球内部结构与演化。

如果有人告诉你：NASA用不到 5 亿美元、在没有高清镜头、不登陆、不用黑科技的情况下，只靠两颗 “极简卫星”、一个科学载荷，就把月球从表层到内核看得一清二楚，你敢信吗？

21世纪初期，美国航天局（NASA）启动了一项看似低调，却深刻改变人类对月球认知的探测任务——圣杯号（GRAIL，全称是Gravity Recovery and Interior Laboratory，重力反演与内部结构实验室）。这是一项没有着陆器，没有高清相机，甚至没有新技术噱头的任务，但它却以前所未有的精度，透视了月球的内部世界。

低成本深空探测的理想与现实

NASA的发现级计划（Discovery Program）诞生于20世纪90年代，其核心理念可以概括为一句广为人知的口号：“更快、更优、更省”（faster，better，cheaper）。与动辄耗时十余年、预算高达数十亿美元的旗舰级计划不同，发现级计划由科学家主导，通过公开竞争遴选任务概念和方案，在严格的4.5亿美元成本上限内追求尽可能高的科学回报。这个计划先后支持了火星探路者号（Mars Pathfinder）、月球勘探者号（Lunar Prospecter）、星尘号（Stardust）、信使号（MESSENGER）、深度撞击号（Deep lmpact）、黎明号（Dawn）、洞察号（InSight）等14个太阳系探测任务，使行星探测在有限预算下保持了活力，也让中小规模深空探测成为可能。

然而进入21世纪后，这一低成本探测理想开始遭遇现实考验。随着任务复杂度提升，多个项目出现了明显的成本增长和进度压力，原本被认为“可控”的技术与管理风险逐步凸显，这使得原计划于2000年发布的任务征集公告多次推迟乃至最终取消。

与此同时，NASA整体预算环境趋紧，不同任务线之间开始争夺有限的项目预留资金，发现级计划赖以生存的“低成本优势”受到严重冲击。面对这一局面，NASA对发现级计划进行了系统性反思，并推动了一系列制度改革，包括强化技术-管理-成本评估、提高强制性成本预留比例、重新界定首席科学家职责等。

改革完成后，新的发现级任务征集于2006年重新启动。NASA共收到24份提案，并从中遴选出3项进入概念研究阶段。经过一年多的评估与论证，NASA最终选择了圣杯号月球探测任务，并于2007年在美国地球物理联合会年会上正式对外公布。

圣杯号没有激进的科学构想，但它几乎完美体现了改革后发现级计划的核心精神：科学目标明确、技术路径克制、管理经验成熟、成本控制透明。其科学目标也与NASA当时“重返月球、再赴火星”的长期战略高度契合，同时将地球科学中成熟的双星重力探测方法推广至月球，为后续探测火星及其他行星的内部结构奠定了方法基础。

朴素的核心设计：两颗卫星、一个科学载荷

虽然“圣杯号”这个名字来源于神话中的圣物，但是它的核心设计却异常朴素：两颗探测卫星在月球轨道上编队飞行，通过精确测量彼此之间距离的微小变化，反演（即通过观测到的结果数据，去推求产生这些结果的原因）月球重力场的微小起伏，从而推断探测器之下的质量分布和月球全球内部结构。

这种卫星重力测量方法主要依赖卫星轨道数据，能够以相对低的成本获得全球重力场数据，而不需要携带重力仪载荷或进行着陆探测。因此目前人类对地球以外天体内部结构的认知，在很大程度上正是建立在卫星重力测量数据之上。

圣杯号科学载荷也只有一个：月球引力测距系统（LGRS）。这个系统利用Ka波段微波信号，通过测量一颗卫星接收另一颗卫星信号所需的时间变化，来精确确定两者之间的距离变化。这种测距方式历史悠久、技术成熟，早已在多个航天任务中得到验证，并在2002年发射的地球重力反演与气候实验（GRACE）任务中得到关键升级。圣杯号正是在这一技术基础上，将高精度星间测距首次系统性应用于月球探测。作为月球引力测距系统关键组件的Ka波段天线在图中也可以看到。

圣杯号探测器结构图

低能耗绕行去月球

为了在成本和安全性之间取得最佳平衡，圣杯号采用了一条不同寻常的转移轨道。2011年9月10日，圣杯号双星从佛罗里达发射升空后，没有像阿波罗飞船那样直接奔向月球，而是绕经太阳-地球L1拉格朗日点，沿一条耗时三个半月的低能转移轨道缓缓驶向月球。

圣杯号运载火箭的有效载荷整流罩正在安装（左）。圣杯号探测器于2011年9月10日从佛罗里达卡纳维拉尔角空军基地，用一枚Delta-Il 7920H火箭成功发射（右）。

以日心固定坐标系显示的圣杯号月球转移巡航轨迹，视角垂直于道平面。-A为A星轨道（红色），-B为B星轨道（蓝色），EL1为太阳-地球拉格朗日L1点。TCM是轨道修正，例如TCM-A1即A星第1次轨道修正。LOI意为进入月球轨道。

这种“绕路”的设计虽然延长了飞行时间，却在工程上带来了显著优势：发射窗口从几天延长至40余天；进入月球轨道所需的速度变化更小；两个探测器可错开25小时进入月球轨道，从而避免在同一天执行多个高风险操作。同时，较长的巡航阶段也为航天器与科学载荷的全面检查、超稳振荡器的稳定，以及航天器排气处理*提供了充足时间。

*：为了在主任务阶段避免气体喷出对航天器轨道和姿态产生扰动，影响重力测量的精度，需要预先排出内部的气体。

抵达月球后，双星在两个月内逐步降低轨道高度，最终进入距月面约55千米高度的近圆轨道并开始科学观测。精确维持两颗探测器之间的相对距离，是整个任务中最具挑战性的环节之一。在89天的主任务期间，仅需1次轨道机动即可控制漂移速率；而在更低轨道的扩展任务中，则需要每周进行多次修正。

主任务结束后，圣杯号又获批了为期106天的扩展任务，轨道高度进一步降低至约23千米，使重力观测的空间分辨率显著提升。2012年11月底，双星经历一次半影月食后，轨道甚至下降至约11千米。在任务的最后阶段，圣杯号对月球最年轻的大型撞击结构东海盆地进行了极为精细的重力观测。

2012年12月17日，在完成所有的科学目标后，两颗探测器实施了燃料耗尽点火，然后离轨撞击月面，干净利落地结束了这次不张扬却意义深远的探月旅程。