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以下论文经平劲松老师推荐，翻译整理：
2023-2-13 开始行动，第一版借助 fanyi.youdao.com 整理，是提供给同学们学习的基础材料，校对过程中对概念和历史事件的更正，可直接轻量级PR（直接编辑本文，修改，保存）
@yuandj
OPEN ACCESS
Lava tubes are potentially important sites for the long-term human presence on the Moon because they provide shelter from surface hazards, including micrometeorites, radiation, extreme temperatures, and dust. The discovery of a lava tube opening or pit at Marius Hills in Oceanus Procellarum is compelling motivation for robotic and eventually human exploration missions to these sites for in situ investigations and site assessments to determine viability for habitation and utilization of lunar resources. We make the case for Marius Hills to be a high-priority landing site and present elements of lunar data analysis, instrument/payload concepts, science justification for robotic missions, and thematic geologic reconnaissance and remote sensing that should be conducted prior to any construction or emplacement of infrastructure. This is described as a "green reconnaissance" approach to lunar exploration and exploitation, which seeks to address such contamination factors as sprayed rocket exhaust and sublimating water in order to preserve science fidelity. We are developing a concept of operations called the Leto mission for a green reconnaissance approach to robotically access the Marius Hills sublunarean void.
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对于人类在月球上的长期存在来说，熔岩管是潜在的重要地点，因为它们可以躲避月球表面的危险，包括微陨石、辐射、极端温度和灰尘。在普克拉鲁姆海中 (Oceanus Procellarum) 的马里乌斯山 (Marius Hills) 发现了一个熔岩管开口或坑，这是一个令人信服的动机，促使机器人和最终的人类探索任务前往这些地点进行实地调查和现场评估，以确定是否适合居住和利用月球资源。我们认为马里乌斯山是一个优先级较高的着陆点，并提出了月球数据分析、仪器 / 有效载荷概念、机器人任务的科学论证，以及在基础设施建设或安置之前应进行的专题地质侦察和遥感等元素。这被描述为月球探索和开发的“绿色侦察”方法，旨在解决喷射火箭尾气和升华水等污染因素，以保持科学保真度。我们正在开发一种名为“莱托任务”的行动概念，它是一种绿色侦察方法，可以用机器人进入马里乌斯山的产穴。
统一天文学叙词表概念: 月球 (1692年); 月球特征 (953); 月球科学 (972)
本文的目的 是通过场地特征、仪器开发和多种数据集 ( 如高分辨率和彩色成像、激光测高仪、雷达测图和矿物测图) ，论证月球坑，特别是马里乌斯山地区发现的坑，作为机器人和人类勘探的潜在着陆点或基地的适用性。机器人和人类任务侦察对于了解月球坑及其周围环境的基础科学至关重要，对于确定潜在人类居住的可行性和安装带有相关基础设施的加压穹顶的工程约束也至关重要 (Ximenes 等 。2011,2012;Ximenes& Patrick 2013) 。 对马里乌斯山坑 (MHP)及其周围环境的地面任务对于展示原位资源利用 (ISRU) 是非常宝贵的。我们相信，该地点提供了最终长期人类居住的潜力。
遗址特征调查是了解 MHP 和其他月球熔岩管或洞穴样特征的地质和资源潜力的基础。普克拉鲁姆海中的马里乌斯山火山群以其各种各样的熔岩流、圆顶、锥、坑和蜿蜒的溪流而闻名 (Greeley 1971;Lawrence et al. 2013) 。这个火山场独特的地质特征促使它被列入阿波罗登月计划的候选地点 (Karlstrom et al. 1968;Elston & Willingham 1969; 威 斯 特 法1993) 。最近 ，它被描述为为期一周的地质突击任务的目标(Clark 2011)。日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 在马里乌斯山地区发现了一个”天窗” (熔岩管天花板坍塌) 工程探索者 (SELENE;aka Kaguya) 任务 ( 并得到了 NASA 月球勘测轨道器 (LRO) 任务的确认) 再次引起了人们对这个地点的关注 (Haruyama et al. 2009) 。熔岩管是人类长期在月球上存在的潜在重要地点，因为它们可以躲避月球表面的危险，包括微陨石、电离辐射、极端温度和灰尘 (H ö rz 1985; 波士顿2010;Ximenes 等 2012) 。 MHP 的发现，加上月球上类似坑的发现 (Ashley 等人 ) 。2011a, 2011b) 和火星 ( 库欣等。 2007; 库欣 2012) ，是机器人和最终人类探索任务的有力动力，目的是对这些地点进行实地调查和评估，以确定是否适合居住。在任何基础设施的建造或安置之前，月球侦察和地点确定是必不可少的 (Ximenes 等，2010,2011,2012;Hooper 等 ， 2013;Ximenes& Patrick 2013) 。除了人类可居住的可能性之外，对坑和其他产穴的基本科学理解对于约束关于熔岩流热力学和 mare 就位的理论 至关重要 (Hooper 等，2013 年 ) 。玄武岩熔岩流的分层序列，结合其相关的火山碎屑沉积，保存了地幔成分和矿物学历史的记录，对理解月球地质演化至关重要。
由于月球资源的潜在利用，地外空洞也引起了极大的兴趣。月球两极的永久阴影区 (PSRs) 可能成为挥发物可能 积聚的冷阱，包括水霜和冰，如果低温温度满足 ( 例如， Watson et al.1961; 阿诺德 1979;Pieters et al. 2009) 。
发现广泛的熔岩管系统——无论是用于人类庇护所还是潜在的自然资源——的可能性仍然很诱人。自从 MHP 被发现以来，我们一直将其作为月球熔岩管侦察任务的参考任务架构的目标 (Ximenes 等。2011 年 ,2012 年 ;Hooper 等，2013; Ximenes& Patrick 2013) 。当探索开始时，在使用侦察技术的第一次接触中，保护这些原始的洞穴环境将是很重要的 。我们将其定义为 ”绿色侦察”方法，它是 MHP 勘探计划的基本组成部分。
图 1 所示。马里乌斯山火山复合体的地形图，使用 LRO 上的 LOLA 进行天窗 / 坑的定位。数据来自行星数据系统 (PDS) 地球科学节点。
马里乌斯山火山复合体由一个高原组成，海拔100-200米，高于周围的普罗斯克拉鲁姆平原 (McCauley 1967，1969) 。火山地貌包括蜿蜒的沟壑、锥形、山脊和低、陡峭的穹丘(Greeley 1971;Whitford-Stark & Head 1977) 。图 1 显示了总体设置和区域地形。在该火山复岩中观察到的形态多样性比在月球上通常观察到的更广泛，可能是一个或多个被提出的过程的结果，包括成分变化、积液率变化、喷发方式变化或岩浆分异(例如，McCauley 1967，1969;Whitford-Stark & Head1977; 韦茨&海德1999; 希瑟和唐恩都乐2002; 希瑟等人2003;Lawrence 等，2013年) 。该地区大部分海玄武岩的年龄为 3.0 ~ 3.5Ga ，但一些低盾构的年龄为1.03 Ga(Hiesinger etal. 2016) 。Besse 等人 (2011) 利用月船 1 号上发射的 M3 光谱仪，首次对 0.46 ~ 2.97μm 的马里乌斯山火山复岩进行了研究。 Robinson 等人 (2012) 和 Lawrence 等人 (2013) 使用月球勘测轨道飞行器相机 (LROC) 窄角相机 (NAC) 提供了马里乌斯山地区火山锥和圆顶的详细图像。尽管自月球轨道器和阿波罗时代以来获得了更新的数据集，但这些月球穹窿、蜿蜒的沟壑和凹坑的形成仍然知之甚少。
月球坑是在 mare 、 impact melt 和 highland 沉积层中发现的陡峭的负凸壁特征 (Robinson 等， 2012 年 ) 。这些坑是由塌陷成地下空洞而形成的，尽管空洞可能是通过不同的过程形成的 (Wagner & Robinson 2014 ， 2015) 。在最近的一项形态测量研究中， Sauro 等人 (2020) 得出结论，地球上的熔岩管坍缩链与月球和火星上的那些被提出的候选坑在形态上呈现出惊人的相似性。他们指出，像宽度 / 深度比这样的维度和形态参数具有不同的范 围，每个 都属于不同 的行星体 。在 Haruyama等人 (2009 年 ) 发现马里乌斯山的陡峭坑壁后， Robinson 等人(2012 年 ) 开始使用米级 LROC NAC 图像对月球表面进行广泛的搜索。他们的搜索发现了超过 225 个以前未知的坑，直径从 5 米到 900 米不等 ( 中位坑直径为 16 米 ) 。尽管这些最近发现的坑大多位于冲击熔体沉积物中，但其中 5 个新坑位于冲击熔体沉积物之外的 mare 材料中， 2 个坑位于非冲击熔体高地材料中 (Wagner & Robinson 2014) 。这些坑的形态参数，如陡峭的斜坡和高深径比，以及缺乏凸起的边缘和喷出物沉积物，排除了唯一的与撞击有关的起源。由于阴影和月球非最低点成像的限制，这些坑的地下范围仍然未知，但 Chappaz等人 (2017) 注意 到，月球上 的低重力和高 喷发率的结合，可能使结构稳定的洞穴形成，其规模远远大于地球上的任何东西。他们利用重力 恢复和内部实 验室 (GRAIL) 的数据 来寻找月球 maria 下面存在大型空熔岩管的证据。
图2。(a)MHP，马里乌斯山天窗(坑)，直径约 50 米。图来源于 LROC NAC 图像 M114328462R 。资料来源 :NASA/GSFC/ 亚利桑那州立大学。(b)34°入射角和 45° 发射角的 MHP 成像 (LRO C NAC 图像 M137929856R) 。坑壁显示玄武岩地层。资料来源: NASA/G SFC/ 亚利桑那州立大学。
MHP 位于一个东向西走向的浅沟的急弯处(Haruyama 等，2009)。宿主沟切割了一个已经存在的皱脊，并且有无数的大坑内 约 25 公里 范围 内的火 山穹 丘，如图 1 所 示 (Weitz &Head 1999; 希瑟等人 2003; 坎 贝尔等人 2009; Lawrence et al.2013) 。靠近 MHP 的许多小圆顶 ( 也许还有里尔洼地本身 ) 可以作为保护屏障，免受月球着陆器喷出物的影响。
MHP 之前曾被认为 是一个基于其 在蜿蜒溪谷内 位置的天窗 (Haruyama 等人 2009) 。马里乌斯山的 天窗分类已经在文献中得到了很好的证实 ( 包括我们自己的许多出版 物 ) ，但大多数月球坑可能是流后的特征，而不是真正的火山天窗(Robinson et al. 2012;Wagner & Robinson 2014，2015 年 ) 。在对它们的形成机制了解更多之前，我们将把这些月球特征称为坑。
NAC 在各种光照条件下对 MHP 进行了成像，入射角从13°到 83°不等，坑道开口的直径 测量范围从 49°到 57m 不等 (Ashley et al. 2011a, 2011b;Robinson 等 2012; 见图2(a)) 。阴影测量显示 了最大深度在锋利的边缘下约 44 米，在周围 平坦的海表面下约 51 米(Ashley 等人 2011a, 2011b;Robinson 等 2012 年 ) 。这些研究还确定，具有良好照明的坑壁视图的图像显示了 8 个地层层，厚度从 4 到 12±1 米不等，平均厚度为 6 米。图 2(b) 说明了这一点。
“绿色侦察”的概念是由探索建筑公司 (XArc) 引入的，在人类和机器人探险家及其相关设备、系统和航天器的第一次接触中，作为一项挑战 ，以保护此类 环境中固有的 科学 (Ximenes2012) 。因此， MHP 的绿色侦察被定义为以尽可能不出格的方式进入洞口并首次进入洞穴，以保持该环境中固有的科学的真实性 (Hooper 等， 2013 年 ) 。一个“绿色侦察方法”还将采用一些标准，通过着陆在坑区自然保护设施的后面，并保持足够的距离，以作为保护屏障，防止月球着陆器喷出污染和破坏，从而最大限度地减少月球着陆器喷出污染和排气羽流造成的现场污染。这种绿色侦察方法对月球车的设计和穿越能力有影响。后续任务可能会开始在离坑更近的地方着陆，因为“科学发现”将逐步退出，并过渡到对该地点进行探索的宜居阶段。绿色侦察协议认识到，科学任务调查的演变逐渐让位于侵入式工程和可居住性任务调查，在长期定居地点的开发中。
另一种强调科学保护协议的绿色侦察技术将涉及进入坑内，并首次以旨在减少干扰的方式进入洞穴或管道的原始环境。例如，通过位于井边的机器人平台，将电缆通过开口自动展开后，将一 套仪器 放入空 腔中 (Ximenes et al. 2012;Ximenes2012;Ximenes 和帕特里克 2013) 。光探测和测距 ( 激光雷达 ) 可以收集熔岩管的 3D 点云，通过连接电缆或放置在坑缘的质谱仪 ( 帕特里克 et al. 2012, 2013) 可以检测到不断演化的气体。以保护原始坑环境的方式进行首次进入是至关重要的。
从本质上讲，绿色侦察与行星保护是重叠的。它涉及对未知事物的评估和评估，以及在对其进行详细研究之前保持原始空间或行星环境的愿望。在最初的探索中，防止生物污染应该是一个必要的目标。绿色勘察意味着低影响的发展和可持续性。未来的任务规划应考虑环境影响说明。
绿色侦察的探索策略包括以下措施：
我们在实地、实验室和课堂上的所有调查都是为了解决月球研究的高优先级主题领域，包括
对于人类居住而言，熔岩管中可居住的基地或庇护所的基本想法是提供免受有害辐射、微陨石撞击、极端温度和灰尘影响的安全。对于温度变化保护，月球表面的极端温度在其日循环中范围为 -180°C 至 +100°C ，熔岩管内部估计可提供一个常数 −20°C 相对温和的温度环境(Hörz 1985)。这简化了复杂隔热和控制系统的设计，并为工程任务和操作提供了更容易的热控制管理。坑本身还提供了利用外部特征的建筑潜力。例如，在存在大型坑洞的地方，通过将月球天窗坑与加压穹顶围起来，可以大幅增加适宜居住的体积面积，从而使居民摆脱住在模块或封闭在洞穴环境中的限制 (Ximenes et al. 2012;帕特里克等 2014 年 ) 。
熔岩管入口也有可能存在水，这与 LRO 莱曼 - 阿尔法制图项目 (LAMP) 和月球两极 PSRs 观测到的过程类似 (Haruyamaet al. 2011;Sanin et al. 2012) 。从开发的角度来看，更重要的是它们可能接近月球资源。人类在月 球上的持续存在要求ISRU 有必要提取消耗品(如 O2 H2O, N2，3He)用于人类生命维持系统的补充。 Huang 等人 (2011) 绘制了可能高浓度 的FeO 和 TiO2 在马略山地区。熔岩管作为月球前哨行动的保护性居所的可行候选地点， 如果所需的原材料在附近，就会变得越来越有吸引力。
对这些特征的基本科学理解是必要的，以及进入和检查它们的技术，包括机器人和宇航员。地表下的空洞在坑的阴影边缘之外延伸了多远尚不清楚。从目前的图像中可以明显看出，要到达这些空洞，机器人和人类探险家都需要穿越约 45-100 米或更高深度的悬崖，地形复杂，如图3所示。
图3。(a)在这个例子中，月球国家纪念碑和保护区(爱达荷州)的火山口展示了一个具有天窗式入口的陆地熔岩管，与在马略山观察到的类似。从尺度上看，阳光照亮了碎石地面上的人物。图片来源: 国家公园管理局。(b)一种绿色的侦察技术将涉及使用一种滑索以一种不干扰的方式进入月球坑。图片来源: KICT 和 XArc 。
同样具有挑战性的是，在第一次接触这些原始环境时，需要行星保护。地下洞穴保存着独特的地质环境，可以接触到新鲜的、相对无尘的火山岩露头。对原始状态的现场科学调查对首次接触勘探至关重要。对于 MHP 的行星保护，我们的研究制作的详细专题地图将通过为着陆区选址或最终的”总体规划”提供绿色方法来帮助任务规划，以开发该地点的长期人类侵占活动，如地面采矿作业和建筑基础设施元素的建设。
在 MHP 为机器人前驱科学探索任务选择着陆点的绿色侦察方法将采用标准，以尽量减少着陆器爆炸喷出物和燃料羽流对着陆点的污染。第一次接触场地的非绿色方法是将天桥数据与地面数据融合的概念，在精确着陆进场期间，通过直接越过天窗上方的着陆器轨迹飞行路径实现对天窗的场地表征(Peterson et al. 2011) 。这就提出了分散在目标特征上的羽流废气造成的场地污染问题。
图4。标记的圆圈测量距离 MHP(暗圆斑) 坑边的距离，作为绿色侦察方法的保护区组成部分，以最大限度地减少来自月球着陆器爆炸喷出物和发动机排气羽流的污染。结合局部地形和形态特征的任务规划场景确定着陆点和穿越方法与坑的适当距离 。图片来源: LROC NAC 图像 M114328462R 。图片来源来源: NASA/G SFC/亚利桑那州立大学。
实现离坑口尽可能近的分段位置的精确着陆要求也可能不利于保护场地免受污染。精确着陆的驱动要求是在月球表面预定位置 100 米内自主着陆 (Johnson & Montgomery 2008) 。精确着陆很可能能够到达距离悬崖边缘 100 米以内的位置，但根据阿波罗号数据的研究显示，着陆点爆炸区域的平均直径在 ~150 ~ ~ 260 米之间，并有喷出物数百米远 (Clegg & Jolliff 2012) 。 应用绿色侦察的概念，应该在 MHP 周围以及其他月球坑周围建立保护区(图4) 。精确着陆的要求必须在距离坑最近的分期地点和月球着陆器喷出物污染之间取得平衡。在最初的探索中，在 MHP 以北一些更近的小圆顶后面的一个着陆点如图4所示可能作为月球着陆器喷出物的保护屏障。在部署仪器和设备之前，机器人月球车必须穿过大约 1000 米的距离到月球坑。
在场地的早期探索阶段，人类活动造成的场地污染风险可以通过采用侵入性技术的分层方法来减轻，以获得可接受性场地扰动和正向污染。从最近的研究中提出的行星保护考虑主张对人类影响程度进行本地化和分区(波士顿，2010年)。以科学保护协议平衡日益增长的人类活动侵蚀是我们调查绿色侦察技术的前提。
与第一次行星洞穴探索任务相关的操作场景、技术以及人类和机器人性能的壮举在文献中或之前的研究中都没有得到很好的定义 (Ximenes 等， 2012) 。Jawin 等人 (2019 年 ) 将第一阶段任务的着陆点 ( 包 括马吕斯山 ) 列为使用静态着陆器的着陆点。他们的第二阶段任务增强了技术能力，包括自动着陆地点的危险避免、着陆时的灰尘缓解和通过漫游的机动性。在这里，我们概述了机器人进入 MHP 洞穴避难所的绿色侦察方法的操作 (ConOps) 概念。为了纪念阿波罗和阿耳忒弥斯的母亲莱托 (Leto) ，我们将这次任务命名为 Leto 。就像莱托寻找一个地方生下她的双胞胎一样，莱托漫游者也在寻找我们月球定居点的诞生地。
为了保护坑不被着陆器的火箭排气和羽流喷出物污染，机器人探测车会在附近地区发现的高山或地质结构 (如火山圆顶)后面的一段距离着陆。如图 5 所示，机器人月球车穿越 1000米的路径，以找到月球坑，以便部署我们的多用途步行探索者(骡子)机器人(Ximenes 等。 2012,2021) 。
图5。以月球车、骡子和其他技术为特色的任务概念。
骡是一种适应地形的四足机器人，能够穿越崎岖的洞穴地形。这些机器人俗称 Spot ，是由波士顿动力公司在美国国防高级研究计划局 (DARPA) 的资助下开发的。NASA/JPL 还将该机器人用于他们的协作地下自主弹性机器人(CoSTAR)项目。JPL 的“Au-Spot”是“Spot”的改进版本，配备了网络传感器和软件，以帮助它安全、自主地扫描、导航和绘制环境地图。
正如 Ximenes 等人 (2021 年 ) 所概述的那样，莱托漫游者从坑边缘协商到一个安全的距离，以便在坑内部署和发射智能滑索。这条滑索是一种有动力、数据和通信的系绳。滑索部署本质上是安装在着陆器上的鱼叉炮，用于射击固定在坑道崖壁上的地面穿透器。虽然存在其他交付方式，但“鱼叉”解决方案集是一种复杂的方法，也代表着一种技术发展调查( 或技术演示 ) 。一旦吊索固定好 ，储存的有效载荷就会被卸载并下放到坑中。滑索为骡子机器人 (s) 提供了一套有效载荷科学仪器，用于在下降过程中对坑进行远程测量，并在下降后对坑和熔岩管洞穴进行探索。数据中继系统有助于侦察和通信。
我们目前正在开发一种用于串联骡子以接力方式探索洞穴的 ConOps 和技术，其中一个骡子-1 作为带仪器套件的向前探索者，第二个骡子-2 是一个行走电池组，用于扩展骡子-1的工作范围。骡子-2 通过降低的吊绳提供与漫游者公用事业服务连接电力和通信。骡子-2装配了一个机械臂，用于样本调查和任何需要的系绳解扣。回收侦察机器人是不打算的，并将增加不必要的复杂性的任务 ConOps 。机器人在任务结束时通过电缆通信链路将采集到的所有数据传回地面。机器人骡子在任务结束时进行冬眠，在穿越洞穴的范围内停止。它们将被重新激活并充电，用于后续的人类侦察任务。ConOps 在概念上如图6所示。
图6. 串联 MULE ConOp 以扩大洞穴勘探范围
对月球坑的基本科学了解是约束熔岩流热力学和 mare 阵地理论的关键。目前尚不清楚月球熔岩管或洞穴是否作为冷阱或储层 ，为可能的挥发分积累，但这种潜在的积累 - 即使是更难处理的挥发分(例如，含硫矿工- als) - 可能产生宝贵的水冰沉积物。此外，地貌调查是选址的一个重要组成部分，因为坑、斜坡和地形的特征对于确定通往坑的田野穿越和接近路线的位置至关重要。
我们的科学溯源矩阵如表 1 所示。在任何基础设施建设或就位之前，月球侦察和场地表征是必不可少的。为了进一步了解月球坑的起源、背景和潜在利用，我们概述了一个地点表征方案，其中包括
场地特征将确定
表1 Leto 任务概念的科学溯源矩阵
| 科学的目标 | 测量目标 | 测量的需求 | 仪器 | 仪器的需求 |
|---|---|---|---|---|
| 遥感(包括雷达) | 区域地质、地理信息系统制图 (GIS) 和土地利用场地开发规划 | 成像，高光谱/空间决议 | 广角成像，辐射计(微波或 sub-距离轨道毫米)或热发射场地开发规划光谱仪，高光谱/空间分辨率大气探测，侧视雷达(SLR)，激光雷达，高度计 | 高分辨率在轨成像 |
| 原位传感 | 利用 ISRU 技术 | 显微成像 (MI) 尺度图像，作文 | 雷达(包括探地的(GPR))，剖析仪，激光雷达，化学扫描，分析仪 | 高分辨率原位成像 |
| 质谱分析 | 分析化学;天然气库存 | 高真空 | 四极质谱仪(QMS)(残余气体分析仪) | 商业银行现有的货架(COTS) |
| 风化层和挥发性分析 | 月球风化层的特征模拟的 | 气体渗透性测试，粒度 ana-裂解，显微成像(MI)比例图像，构图 | x射线衍射、近红外光谱、质量光谱学 | LCATS-1 gen-的发展通用模拟，饲料-3D打印库存 |
| 地形和 morpho-逻辑描述 | 地图 2000 米邻近地带 | 多光谱数据绘制成分图要绘制的信息和雷达数据表面形态 | 雷达，多传感器数据融合 | 网格单元的地形图间距 <1米(厘米-规模成像) |
以下各节将阐述本项目的关键方面。
遥感测量是了解 MHP 和其他月球坑区域地质的基础，这些坑现在有数百个 (Haruyama et al. 2009;Robinson et al.2012;Wagner & Robinson 2014, 2015) 。表 2 总结了与 MHP相关的一些可用数据集。月球矿物学制图仪 (M3) 光谱仪搭载在印度空间研究组织 (ISRO) 于 2008年10月22日发射的月船1号 (Chandrayaan-1) 月球轨道器上 ( 该任务在 2009年8月提前结束 ) 。其光谱范围为 0.43 ~ 3.0 μ m ，尽管任务提前结束，但仍获得了 95% 的月球 表面数据集 (Green et al. 2011)，包括马里尤斯山火山复岩 (Besse et al. 2011) 。雷达探测由SELENE 表明，在 MHP 以 西有一个长度约 数十公里的巨大地下空洞 (Haruyama 等，2017) 。通过激光雷达扫描从地表以下进入坑内的探测器来确认这个扩展的空洞，将确认这个熔岩管的存在，并为月球火山活动提供更深入的理解。激光雷达扫描还将收集坑的 3D 点云，以建模其几何形状，质谱仪可以检测到演化的气体 (Patrick et al. 2012, 2013) 。
表2 月球数据集
马略山全球和区域地图 Global and Regional Marius Hills Maps
| 数据 | 任务 | name | 空间分辨率 | 源 |
|---|---|---|---|---|
| 全球马赛克 | 月球轨道器 | Lunar Orbiter | 60 m pixel−1 | USGS |
| UVVIS 全球地图 (五个波段和RBG) |
克莱门泰 | Clementine | 200 m pixel−1 | USGS |
| UVVIS 750nm 滤镜反照率图 | 克莱门泰 | Clementine | 100 m pixel−1 | USGS |
| 温度图(占卜者辐射计) | 月球勘测 轨道飞行器 |
LRO (DLRE) | 1/128 deg | PDS |
| 地形图 | 罗拉 | LRO (LOLA) | 470 m pixel−1 | PDS |
| GLD100 WAC 全球 DEM | 月球勘测 轨道飞行器 |
LRO | 100 m pixel−1 | 亚利桑那州立大学 |
| 合成孔径雷达 | LRO Mini-RF | 15–30 m pixel−1 | PDS | |
| 月球矿物学制图仪(M3) | 月船一号 | Chandrayaan-1 | 70–150 m pixel−1 | ISRO/PDS |
| TiO2 全球分布图 | 克莱门泰 | Clementine | 100 m pixel−1 | USGS, Lucey et al. (2000a) |
| FeO 全球分布图 | 克莱门泰 | Clementine | 100 m pixel−1 | USGS, Lucey et al. (1998) |
马略斯山 DEM Marius Hills DEM from NAC Frames
| Lat/Lon | rms Error | No. Stereo Pairs | Total Coverage (km2) | Source |
|---|---|---|---|---|
| 14° N, 304° E | 3.80 | 3 | 388 | USGS |
Marius Hills Pit Select LROC NAC Images
| Image | Slew Angle (°) | Incidence Angle (°) |
|---|---|---|
| M122584310L | 0.00 | 28.08 |
| M114328462R | 6.80 | 61.38 |
| M133207316L | 29.13 | 82.84 |
| M137929856R | 42.86 | 33.79 |
| M155607349R | 8.69 | 12.52 |
Marius Hills Select Gravity (GRAIL)
| Calibrated Data Record 校准数据记录 |
Instrument 仪器 |
|---|---|
| 5214_MED_RES | Lunar Orbiter 80 MM Focal Length Camera 月球轨道器 80 毫米焦距相机 |
图7 是用于初始光谱和地形分析的联合配准图像合成图。MHP 的光谱和地形分析将利用多个数据集 (例如高分辨率和彩色成像、激光测高仪、雷达制图、温度制图和矿物制图)来 (i) 描述区域火山活动的风格， (ii) 描述地貌特征和风化层属性，作为了解 ISRU 潜力的关键，以及 (iii) 了解 MHP 作为机器人和人类勘探的潜在着陆点或基地的适用性。我们可以根据月球颜色比图像的组成和成熟度来解释其光谱响应。例如，Lucey 等人 (1998,2000a,2000b) 创建了产生 FeO 和 TiO 的算法2 地图。与其他月海相比，马里尤斯山的月海单元的钛含量相对较高 (Lucey et al.1998;Weitz & Head 1999;Lucey 等，2000a)。
图7. MHP的遥感数据库演示(用黄色三角形标记的位置)。上面是高分辨率LROC全色图像(细数据条)，下面是两幅滤波处理后的 Mini-RF 图像的马赛克图像(细线显示横向图像范围)，背景图像是LOLADEM。虽然大多数数据的协同配准步骤是成功的，但SAR数据(Mini-RF)表现出各种失真。例如，左边的图像被平移到北方，但是右边的图像被旋转或缩放不同。SAR元数据表明，它们是(i)在不同的日期获得的，(ii)在大入射角下获得的，(iii)在不同的模式下(上升/下降)获得的。数据来自 PDS 地球科学节点。
LRO 具有与基本光谱和地形分析最相关的仪器载荷。月球轨道器激光高度计 (LOLA) 提供了精确的全球月球地形模型和 大地网格，可作为月球高程评估的基础 (Smith et al.2007) 。 LROC 包括两个 NACs ，用于提供5公里测绘带的0.5-2.0m 尺度全色图像，以及广角相机 (WAC)，用于提供60公里测绘带内7个色带的100m像素尺度图像 (例如，Robinson et al. 2010;Scholten et al. 2012) 。NAC不是作为一个立体系统设计的，而是通过从两个轨道获取的图像获得立体对。LROC NAC 左右图像对可以进行正交化校正和镶嵌，从而创建 dem (Tran et al. 2010;Burns et al. 2012) 。预言者月球辐射计实验 (DLRE) 是一个 9 通道推扫式测绘辐射计，观测发射的热辐射 (7通道) 和反射的太阳辐射 (2 通道) 。0.3-400μm之间，空间分辨率约 160×320米，距离 50公里的名义任务轨道 (Paige et al. 2010) 。预言者数据可以提供以下信息: 对比岩石和风化细粒之间的热物理性质、月球表面岩石的面积分数和大块硅酸盐矿物学 (Bandfield et al.2011) 。 Meyer & Hurtado(2011, 2012) 描述了一种利用 DLRE热惯性数据探测月球下熔岩管的可能方法。LRO 微型射频(Mini-RF) 仪采用混合极化结构测量月球表面返回散射特性，Nozette 等人 (2010) 对此有详细讨论。
许多其他的科学目标也可以通过这种 MHP 的原位探测来实现，包括使用红外激光光谱来表征过去的熔岩就位位置、古风化层和碎石堆的组成。光学和x射线光谱技术将测量地下古风化层和局部地表风化层之间的差异，而碎石堆图像将为崩塌建模提供数据。其他调查将包括确定地下辐射剂量和尘埃颗粒影响的实验，以及为提供导热模型而进行的壁温测量。
了解月球风化层的机械特性对 ISRU 和建筑宜居概念的发展很重要，例如使用风化层作为 3D 打印结构的原料，或用 a包围一个月球天窗坑加压穹顶 (Patrick 等，2014年)。这将有助于解决月球天窗是否可以加压使其适合居住的问题。仅在天窗坑上放置一个圆顶帽的直观方法存在几个问题，包括气体扩散、基岩断裂和干燥的风化层。
商用现货(COTS)四极质谱仪 (QMS) 残余气体分析仪已成为监测真空系统清洁度和在实验室过程中进行分析化学的重要工具。QMS 可以被认为是两个主要的子系统: 气体处理和分析仪。该分析仪为QMS，只能在高真空环境下工作。这种类型的 QMS 属于被称为残余气体分析仪 (RGA) 的一类。由于其小的足迹，尺寸和成本，RGA已经使大质量范围 (1-300 Da)的背景气体监测在实验室中司空见惯。
月球表面的气体研究始于阿波罗12号、14号和15号(Johnson 和埃文斯1974年)期间部署的冷阴极仪表实验CCGE)。1969年11月，阿波罗12号 CCGE 的运行揭示了着陆点的污染，不仅使压力表达到数小时的饱和，而且还记录了与登月舱舱减压相关的压力特征(Johnson 等人1970年)，以及宇航员背包内的冷却水使压力 表达到饱和 (Patrick& Mandt 2016) 。最近的月球模拟实验结果表明，更多的挥发物从其中释放出来机械颗粒对颗粒接触比来自照明引起的干扰(Patrick et al.2015)。除了航天器燃料燃烧造成的场地污染副产品和放气设备，模拟月球风化层扰动的实验表明，可检测到的天然气体是由来自车轮、钻头、探测器和宇航员的脚步。因此，我们知道没有比质谱原位分析化学能力更好的方法来探测月球表面环境，我们认为这是在超高真空(UHV)条件下表征天然气体特征的唯一合适方法，以便在即将到来的勘探和 ISRU 月球表面运动中，将这些气体从人工来源中分离出来。
搭载在航天器上的质谱在行星大气的分析化学方面有数十年的成功记录。从地球大气的大气探索者(Burgess & Torr 1987) 到金星的调查(Hoffman et al.1979; 尼曼等1980年)、火星(Stern 等2015年)、木星(尼曼等1996年)和土星系统(尼曼等 2010年;Teolis et al. 2017;Waite et al.2018)，质谱分析已经确定了行星大气中的主要气体和痕量成分。月球环境中的质谱分析始于阿波罗15号(1971)和16号(1972)指挥服务舱(Hoffman 等等人1972)上的月球轨道质谱分析实验。最近，月球大气和尘埃环境探测器(LADEE)用中性质谱分析(NMS)从轨道上探测了月球外逸层6个月(2013-2014年)，并在已知的微流星体流期间检测到水汽和二氧化碳的特征升高(Benna et al.2014)。然而，到目前为止，部署在月球表面的唯一质谱仪是1972年12月阿波罗17号期间部署的月球大气成分实验(LACE)。该仪器确定了月球外逸层中的放射性氩气(40Ar)，以及着陆点的污染物(Hoffman 等，1973年)。
在月球表面，40Ar已被测量，并作为40K(τ1/2 = 1.28×109年)。1972年12月，阿波罗17号着陆点首次测量了月球外逸层的这一主要成分(Hodges et al. 1974;Hodges1975年)。类似 COTS RGA 的 QMS 将不仅涵盖已知的天然放射性成因的地下演化40 Ar还可以监测可能被发现的任何较重的气体分子的释放。这些将超出阿波罗17号期间部署的有限质量范围的LACE，这些仪器还将履行重要职责，监测来自航天器推进器、人类生命维持系统和部署设备的人为污染，以及上述由于资源勘探和勘探工具和设备对月球表面的机械干扰而释放的天然气体库存。
这样的MHP原位任务不仅将提供十年级的调查级科学(NRC(国家研究委员会)2007年、2011年)，而且还将为“参考任务”提供踏脚石人类探测月球的基本工程和技术发展(Dorrington et al.2018)。在没有耗尽或完全破坏局部浓度的空间风化过程的情况下40在月球上层风化层中，Ar和其他挥发性物质(如P、Na、K、Zn、Hg和S)的浓度在壁内、囊袋内或月球熔岩管深处的冷阱内增强，在这些地方可能有挥发性物质的积累，这并不是不可想象的 (Watson et al. 1961; 阿诺德1979;Pieters 等人 2009;Haruyama et al. 2011) 。这些年代久远的矿床可能提供古宇宙的标记物在完全不受任何风成力、板块构造或生物群系干扰的环境中记录。
了解月球表层的渗透性和流动特征对于可能的水回收和利用具有重要意义。使用先进仪器设备测试各种月球模拟物的研究已经调查了用于水回收的模拟物的气体渗透性 (Toutanji et al.2012)。其他涉及月球表面气体交换过程的月球事件，如火箭发动机废气流入月球土壤，以及火箭可能污染风化层(克莱格& Jolliff 2012; 克莱格等(Clegg et al. 2014)，也启发了使用越来越复杂的设备测试月球模拟器的研究，如JSC-1A(约翰逊航天中心 ;LaMarche et al. 2011)。
我们的团队使用 JSC-1A 月球土壤模拟物进行了一系列初步的渗透性测试，结果表明，在设计类似于月球表面的实验室条件下，气体和流体发生了显著的渗透性 (Patrick 等人2013、2014、2015;Necsoiu et al.2018;Patrick等人2019年)。我们的实验与月球表面的类比也有局限性。当真空被抽到模拟体积的低压一侧时，不仅是这个下游体积被抽走，而且模拟体积内的夹带大气气体也被抽走。
风化层模拟研究是量化地质力学特性所必需的，也是ISRU 技术的重要组成部分，包括用于栖息地设计和行星建设的 3D 打印制造。为了帮助满足航天工业对模拟物日益增长的需求，我们开发了一种通用的月球风化层模拟物 LCATS-1，以月球洞穴模拟试验场项目命名，并在 Hooper 等人(2020年)中引入。LCATS是Hooper等人(2017年) 、Ximenes等人(2019年)和Ximenes等人(2019年，2020年)描述的一个空间干项目，该项目在月球任务背景下使用机器人技术和地面模拟物。LCATS 的其他组成部分包括月球灰尘环境和 ISRU 技术，用于风化层模拟研究和制造，用于栖息地设计和行星建设。
马略山地区的熔岩流、圆顶和相关火山地貌的光谱属性和形态计量可以用来确定它们是否与马略区不同，以及是否可以利用这些差异来更多地了解形成地貌和特征的火山活动。一般来说，多光谱数据用于绘制成分信息，而雷达数据则用于绘制表面形态。雷达系统的固有特性使其对涉及纹理、形状和地形起伏的地形分析特别有价值。表面粗糙度对雷达回波信号的幅度有最重要的影响，因为它控制着返回散射的范围。
使用多传感器数据融合来绘制一个区域，可以提供混合多种遥感数据类型的额外好处。利用数字地形数据集，可以定性和定量地评估火山地貌、撞击坑、断层崖和滑坡，以了解不同景观发展和发展的速率和时间尺度《进化》(Hooper 2001,2002;Hooper 等2002、2003;Necsoiu和 Hooper 2009a;Necsoiu 等人 2009b;Hooper&斯玛特2012,2013) 。
在着陆区选址的绿色方法中，通过对周围穹顶的自然形成进行地貌测绘，可以说明如何通过作为屏障来保护坑和洞穴入口免受登陆器喷出物和爆炸羽流的污染，从而优化这些保护特征。Pozzobon 等人(2021年)报告称，MHP 环境不受巨石等障碍的影响，并提供良好的可通行性。在工程约束下，着陆应该是足够安全的，在邻近的大部分坑区，坡度 <10°，除了围绕有限数量的撞击坑和附近的洼地和沟壑墙的限制性区域。实现对地形和地形的详细分析，为“先驱”机器人的第一次任务和对月球坑的实地科学调查评估合适的着陆点提供了一个有价值的工具。我们建议在坑周围 2000米的邻近区域内开始绘制这样的地图。最初，就绿色侦察方法而言，勘探足迹将是有限的。然而，随着着陆点的成熟，探索足迹应该扩大到15公里×15公里，这与NASA在2022年8月宣布的13个阿尔特弥斯III号月球南极着陆候选区域相一致。
在进行首次进入时，保持原始的矿坑环境是至关重要的。该任务的目的是了解坑和洞穴的特点，以适应未来作为避难所的居住和月球定居点的诞生。
滑索的部署有利于对坑道开口进行现场描述的操作概念，并防止坑道受到来自着陆器天桥的烟羽和燃料的污染，或试图沿着悬崖向下移动的其他侵入性机器人活动的污染。滑索从坑口中心放下仪器/设备，进行360°视场激光雷达测量，以获得整个坑的三维点云。科学调查、场地污染缓解和场地的初始基础设施建设都是在最初的滑索科学侦察任务中完成的，基本上为最终的前哨站提供了在场地的第一个基础设施部署。
基于以前在月球轨道和月球表面成功使用的太空飞行质谱分析，结合最近的实验室结果和月球极点的气体检测，我们认为，在月球洞穴环境中部署质谱分析对描述这些至关重要科学、探索和 ISRU 的环境。
如图5 所示，我们已经创建了坑边和斜坡的解释，以动画 MHP 任务概念 (Ximenes & Shaffer 2020) 。制作了这段 2分钟的视频，说明了迄今为止开发的任务剖面。坑的直径、大小和深度都被精确建模。正在进行的工作进一步发展了骡子机器人如何进入洞穴并保持动力和新的动画的概念在洞穴中的通信。表3提供了详细的科学溯源矩阵，以确定将安装在骡子上的必要仪器。目前正在对骡子上的仪器进行初步的质量/体积分析和预算，以确定骡子机器人是否可以携带不同的仪器穿越月球表面。我们计划在德克萨斯州当地的一个洞穴中使用波士顿动力现场机器人进行现场测试，该机器人带有安装的激光雷达和各种仪器，我们将在未来报告结果。
表3 MULE 机器人科学溯源矩阵
| 目标 | 客观的 | 测量的需求 物理参数 |
可观察 |
仪器的性能需求 | 投影仪器性能 | 任务要求, ments(最高等级) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 仪表 MULE 机器人穿越月球表面 | 在月球表面操作 MULE | 动态平衡，健壮，数据采集能力，软件多重集成操作 | 移动性和自主 | 最大步高 (30厘米) 和坡度 (30°) | 32公斤机器人/14公斤有效载荷 | 导航和流动性 |
| Sensing-camera 和激光雷达 | 坑的图像和地形分析室内 | 相机集成热波段(可视到热成像);激光雷达 | 成像和地形 | 数据库、云基础设施、近红外激光雷达(750nm ~ 1.5μm) | 相机系统(6.5kg)和激光雷达(1.6公斤) | 传感 |
| 质谱分析 | 风化层和挥发性分析化学物质的位置由精确测量它们的摩尔cular群众 | 三组分:离子源、质量分析仪，探测器 | 真空、气体、等离子体、和表面科学 | 残余气体分析器 | 4公斤 | 分析化学 |
注 : 波士顿动力 (http://www.bostondynamics.com/)
通过开发MHP作为行星洞研究的框架，我们将提高社区对熔岩管坑和其他宫下空洞的理解。挥发性通量、月球火山作用、风化过程和灰尘环境包含了月球探测分析小组(LEAG(月球探测分析小组，2017))和国家研究委员会(NRC(国家研究委员会，2007,2011)的指导文件中确定的科学概念和目标。详细的地质分析和制图可以识别矿物学资源、矿体，或在坑或空洞附近或内部的挥发性物质积累。如果该地区有可能进行采矿作业，那么该地区的商业和居住潜力就会变得越来越有吸引力。
我们选择 MHP 作为调查地点，并认可其为”参考任务”，因为它的火山环境、靠近月球赤道、航天器数据的可用性，以及相对大小，以了解进入这些类型坑的工程挑战的复杂性。该坑以及月球上其他地宫产空区的发现，为机器人和最终人类探索任务提供了令人信服的动力，对这些地点进行现场调查和地点评估，以确定长期居住和利用月球资源的可行性。探索行星洞穴所必需的新技术将有益于行星研究的其他领域。
我们提出了绿色侦察的新概念。这包括以一种不令人不安的方式进入月球熔岩管、洞穴、天窗和坑，以保留任何原始、未被破坏的特征。在第一次进入坑之前，需要努力了解坑边的地貌、斜坡方法和周围的风化层特征，以帮助确定最佳的进出技术，以便保持一种尽量减少现场干扰和污染的理念，同时将仪器和机器人放入坑中进行调查科学。
最后，洞穴研究本质上是跨学科的，对宫下空洞的探索可能会融合元素地质、化学、水文、太阳物理和微气候学。虽然月球洞穴可能为第一批人类定居者提供安全和庇护，但它们最终可能被证明是未来行星探索的踏脚石。
本文所讨论的 LCATS (Lunar Caves Analog testing Sites) 材料是基于NASA资助的月球洞穴模拟试验场(Lunar Caves Analog testing Sites，简 称 LCATS)项目。NNX16AM33G。本材料中表达的意见、发现、结论或建议均为作者观点，并不一定反映美国国家航空航天局的观点。我们感谢匿名审稿人的耐心和评论，他们帮助改进了本手稿的早期版本。
Giant moon cave could become home for future lunar base - Daily Press
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