人類探月已有半個(gè)多世紀(jì)，為何航天器軟著陸月面依舊面臨困難？

10月3日，俄羅斯國家航天集團(tuán)公布了月球25號(hào)探測器墜毀月面的初步調(diào)查結(jié)果，引發(fā)外界關(guān)注。從俄方公布的信息中，外界可以解讀出哪些關(guān)鍵之處？人類探月史已有半個(gè)多世紀(jì)了，航天器軟著陸月面仍面臨哪些困難？哪些新技術(shù)、新方案有望幫助任務(wù)成功呢？

失敗背后細(xì)節(jié)探究

俄羅斯國家航天集團(tuán)發(fā)布公告稱，8月19日，月球25號(hào)探測器從繞月軌道轉(zhuǎn)入落月軌道時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火運(yùn)行了127秒，而不是計(jì)劃設(shè)定的84秒，導(dǎo)致探測器進(jìn)入了更低的非目標(biāo)軌道，最終與月球表面相撞。

“月球25號(hào)”任務(wù)失利令外界遺憾，因?yàn)槎砹_斯繼承了蘇聯(lián)在探月領(lǐng)域的技術(shù)底蘊(yùn)，而這項(xiàng)探月計(jì)劃早在20世紀(jì)90年代就開始推進(jìn)。如果順利的話，“月球25號(hào)”將軟著陸在月球南半球高緯度地區(qū)，并使用8臺(tái)儀器和“俄羅斯有史以來最復(fù)雜的空間機(jī)械臂”，開展月球樣本采集分析。

俄羅斯月球25號(hào)探測器變軌示意圖

“月球25號(hào)”的動(dòng)力系統(tǒng)與蘇聯(lián)多款探月器類似，未使用深度變推力發(fā)動(dòng)機(jī)或多臺(tái)可變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，而是選擇1臺(tái)大推力主發(fā)動(dòng)機(jī)和2臺(tái)游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的組合。在探測器有動(dòng)力下降階段，發(fā)動(dòng)機(jī)組將點(diǎn)火兩次，第一次是為了“消除”水平速度，確保探測器安全轉(zhuǎn)入垂直下落，隨后第二次點(diǎn)火，“消除”垂直速度，確保探測器實(shí)現(xiàn)月面軟著陸。

其實(shí)，這種落月方案的風(fēng)險(xiǎn)不容忽視，對(duì)設(shè)備故障的容許度更低，但所需技術(shù)相對(duì)簡單。有觀點(diǎn)認(rèn)為，在經(jīng)歷了兩次火星探測任務(wù)失敗后，俄羅斯航天單位認(rèn)清了自身技術(shù)薄弱之處，所以盡量參考蘇聯(lián)經(jīng)驗(yàn)。

然而，將軌道近月點(diǎn)高度從100公里下降到18公里的過程中，“月球25號(hào)”發(fā)動(dòng)機(jī)組工作異常，造成了近年來罕見的失敗于環(huán)月軌道階段的月球著陸案例。俄方指出，最有可能的事故原因是大量指令同時(shí)發(fā)送，導(dǎo)致部分儀器未正常工作，又引發(fā)了綜合控制系統(tǒng)異常運(yùn)行，無法在探測器達(dá)到預(yù)定速度之際及時(shí)關(guān)閉推進(jìn)系統(tǒng)。

具體來說，“月球25號(hào)”慣性導(dǎo)航組件中的加速度計(jì)未正常工作，使得探測器在制動(dòng)期間無法根據(jù)加速度計(jì)數(shù)據(jù)來實(shí)測自身軌道變化，更不能及時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，而是被迫讓發(fā)動(dòng)機(jī)工作到了最長允許時(shí)間，使得下降軌道過低。類似情況之前曾短暫出現(xiàn)過，但俄方未給予足夠重視，而是繼續(xù)降低探測器軌道，最終導(dǎo)致墜毀。

進(jìn)一步分析細(xì)節(jié)，可知月球25號(hào)探測器的問題并非只存在于加速度計(jì)方面，還包括控制系統(tǒng)總線優(yōu)先級(jí)問題，推遲了加速度計(jì)開啟指令，總線收發(fā)調(diào)度軟件的錯(cuò)誤導(dǎo)致指令“丟失”等。而且，“月球25號(hào)”的通信協(xié)議沒有回令，導(dǎo)致飛控軟件沒發(fā)現(xiàn)加速度計(jì)未開啟。

有消息稱，“月球25號(hào)”的總承包商拉沃契金科研生產(chǎn)聯(lián)合體并未與俄航天器飛控軟件專業(yè)院所合作，造成飛控程序編寫者經(jīng)驗(yàn)不足，埋下隱患。

破解“高?！彪y題

“月球25號(hào)”是近5年來第五個(gè)著陸失敗的月球探測器。50多年前，人類多次登上月球，且當(dāng)前諸多技術(shù)領(lǐng)域早已取得大幅進(jìn)步，但新世紀(jì)航天器落月成功率仍不到50%，可見航天器安全落月并非很簡單的任務(wù)。

其實(shí)，如果只想實(shí)現(xiàn)著陸月面的話，擁有充分冗余設(shè)計(jì)、完成足夠測試的航天器所面臨的困難沒那么大。比如，去年底落月失敗的日本微型月球探測器在本質(zhì)上是12U立方星，僅有10多公斤，選擇了半硬著陸方式。但這種探測器的科學(xué)價(jià)值聊勝于無，新一代落月航天器往往需要搭載足夠的科學(xué)儀器和月球巡視器，配置雙組元?jiǎng)恿ο到y(tǒng)，構(gòu)成完整的三軸穩(wěn)定控制平臺(tái)，風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)自然就是“水漲船高”。

航天器發(fā)射、進(jìn)入繞月軌道已是探月任務(wù)的“基本功”，而在本世紀(jì)5次落月失敗任務(wù)中，有動(dòng)力下降階段是大部分探測器的“高?！睍r(shí)刻，堪稱落月任務(wù)的核心難點(diǎn)。想要解決這個(gè)難題，關(guān)鍵不是盲目地追求先進(jìn)的大范圍可調(diào)節(jié)變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，增大系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，而是擁有精度足夠高的慣性導(dǎo)航元件和可靠適用的飛控軟件?，F(xiàn)實(shí)中，動(dòng)力系統(tǒng)出現(xiàn)的小問題常常被后兩點(diǎn)不足之處“無限放大”，導(dǎo)致任務(wù)失利。

這樣看來，解決著陸月面難題的核心辦法是，認(rèn)清本國技術(shù)基礎(chǔ)，選擇適當(dāng)方案，對(duì)各分系統(tǒng)和探測器整機(jī)做好測試。但一些探月團(tuán)隊(duì)原本就缺乏在較大引力的天體上著陸的工程經(jīng)驗(yàn)，理應(yīng)添加足夠的冗余設(shè)計(jì)，卻限于經(jīng)費(fèi)、火箭性能等因素，選擇了較小的航天器，導(dǎo)致航天器質(zhì)量受限，冗余不足。

還有一些探月團(tuán)隊(duì)在航天器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)把關(guān)不嚴(yán)，對(duì)易產(chǎn)生單點(diǎn)故障的位置缺乏足夠的故障分析和隔離研究，心態(tài)問題又造成軟件測試不嚴(yán)謹(jǐn)，導(dǎo)致故障無法在航天器地面測試中充分暴露。于是，在環(huán)境更加嚴(yán)酷的地月空間中，航天器潛藏的隱患難免出現(xiàn)。

在探測器有動(dòng)力下降階段早期，地面團(tuán)隊(duì)可以介入控制工作，但在此階段后期主要由探測器自主測量和決策。由于月球基本上沒有大氣，整個(gè)有動(dòng)力下降段非常依賴探測器動(dòng)力系統(tǒng)，對(duì)飛控的要求較高，容錯(cuò)率較低。

尤其是探測器即將著陸月面之際，發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的高溫高速氣流會(huì)吹起月塵，很可能遮蔽對(duì)地測量儀器，造成較大的數(shù)據(jù)異常波動(dòng)。為此，儀器需做好隔離、濾波等措施，或者選擇可以穿透月塵測量的特殊儀器，以防落月任務(wù)功虧一簣。另外，月球表面地形復(fù)雜多變，儀器監(jiān)測到特殊地理特征時(shí)，可能產(chǎn)生大范圍數(shù)據(jù)波動(dòng)，有必要做好數(shù)據(jù)分析和處理工作。

新挑戰(zhàn)呼喚新方法

新一輪國際探月大潮將月球南極區(qū)域作為重點(diǎn)目標(biāo)，神秘的月球背面也吸引著科學(xué)家的目光。當(dāng)探測器著陸月球背面或南極區(qū)域時(shí)，由于涉及信號(hào)遮擋問題，探測器必須保持對(duì)中繼星的信號(hào)追蹤。此外，月球南極區(qū)域地形復(fù)雜，適合著陸的面積較小，這就要求探測器能夠更加出色地處理地形數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高精度著陸，還要做好應(yīng)急著陸未知地區(qū)的預(yù)案。

多國正在推進(jìn)建設(shè)服務(wù)地月空間的導(dǎo)航星座

目前，為了進(jìn)一步提升月面著陸精度，科研人員主要嘗試了兩種手段。

第一種是應(yīng)用圖像匹配技術(shù)。今年9月，日本SLIM月球著陸器升空，明年初計(jì)劃借助美日韓等國的月球環(huán)繞器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行圖像匹配制導(dǎo)，力爭實(shí)現(xiàn)100米級(jí)落月精度，并探測月球熔巖管等潛在的月球基地備選地。

不過，圖像匹配技術(shù)用于月球南極任務(wù)仍存在不足之處。由于月球南極區(qū)域地形嚴(yán)重破碎化，又存在大量永夜區(qū)，傳統(tǒng)探月器的探測效率有限，無法生成永夜區(qū)坑洞內(nèi)部圖像。為此，美韓等國的探月器配備了紅外輻射計(jì)、專用化相機(jī)等，正在完善對(duì)月球永夜坑的成像效果，有望在輔助探測器著陸月球南極時(shí)發(fā)揮更大的作用。

第二種手段是盡快建設(shè)月球?qū)Ш叫亲?。盡管2013年發(fā)射的月球大氣與塵埃環(huán)境探測器嘗試?yán)肎PS導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的波束旁瓣，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)月球軌道的定位導(dǎo)航，但地月距離平均達(dá)38萬公里，探測器依靠近地軌道導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行落月的難度很大。當(dāng)前，多國正在籌備建設(shè)月球?qū)Ш叫亲?jì)劃部署多顆衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)10～50米級(jí)月球定位精度。

未來，月球?qū)Ш叫亲型蠓鶞p少航天器落月任務(wù)對(duì)測量儀器的需求，提高可靠性，并增加有效載荷。其中，信號(hào)覆蓋月球南極區(qū)域的導(dǎo)航星座是“必需品”，不同軌道的多種衛(wèi)星將提供通信、導(dǎo)航、遙感等服務(wù)。

當(dāng)前，這兩種手段已在各國探月任務(wù)中初步驗(yàn)證，有望在未來數(shù)年內(nèi)逐步實(shí)用化。而隨著各國探月計(jì)劃推進(jìn)，越來越多的無人和載人航天器將著陸月球，促使人類對(duì)月球的認(rèn)知和開發(fā)不斷深入。相信隨著更多月面著陸地點(diǎn)被選定，更多先進(jìn)、可靠的適應(yīng)性技術(shù)將顯著地造福人類。（作者：張晨 圖片來源：俄羅斯國家航天集團(tuán) 把關(guān)專家：中國航天科技集團(tuán)科技委副主任 江帆）