10月3日，俄羅斯國家航天集團公布了月球25號探測器墜毀月面的初步調查結果，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(lèi)探月史已有半個(gè)多世紀了，航天器軟著(zhù)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？

失敗背后細節探究

俄羅斯國家航天集團發(fā)布公告稱(chēng)，8月19日，月球25號探測器從繞月軌道轉入落月軌道時(shí)，發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火運行了127秒，而不是計劃設定的84秒，導致探測器進(jìn)入了更低的非目標軌道，最終與月球表面相撞。

“月球25號”任務(wù)失利令外界遺憾，因為俄羅斯繼承了蘇聯(lián)在探月領(lǐng)域的技術(shù)底蘊，而這項探月計劃早在20世紀90年代就開(kāi)始推進(jìn)。如果順利的話(huà)，“月球25號”將軟著(zhù)陸在月球南半球高緯度地區，并使用8臺儀器和“俄羅斯有史以來(lái)最復雜的空間機械臂”，開(kāi)展月球樣本采集分析。

俄羅斯月球25號探測器變軌示意圖

“月球25號”的動(dòng)力系統與蘇聯(lián)多款探月器類(lèi)似，未使用深度變推力發(fā)動(dòng)機或多臺可變推力發(fā)動(dòng)機，而是選擇1臺大推力主發(fā)動(dòng)機和2臺游動(dòng)發(fā)動(dòng)機的組合。在探測器有動(dòng)力下降階段，發(fā)動(dòng)機組將點(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)現月面軟著(zhù)陸。

其實(shí)，這種落月方案的風(fēng)險不容忽視，對設備故障的容許度更低，但所需技術(shù)相對簡(jiǎn)單。有觀(guān)點(diǎn)認為，在經(jīng)歷了兩次火星探測任務(wù)失敗后，俄羅斯航天單位認清了自身技術(shù)薄弱之處，所以盡量參考蘇聯(lián)經(jīng)驗。

然而，將軌道近月點(diǎn)高度從100公里下降到18公里的過(guò)程中，“月球25號”發(fā)動(dòng)機組工作異常，造成了近年來(lái)罕見(jiàn)的失敗于環(huán)月軌道階段的月球著(zhù)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，導致部分儀器未正常工作，又引發(fā)了綜合控制系統異常運行，無(wú)法在探測器達到預定速度之際及時(shí)關(guān)閉推進(jìn)系統。

具體來(lái)說(shuō)，“月球25號”慣性導航組件中的加速度計未正常工作，使得探測器在制動(dòng)期間無(wú)法根據加速度計數據來(lái)實(shí)測自身軌道變化，更不能及時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機，而是被迫讓發(fā)動(dòng)機工作到了最長(cháng)允許時(shí)間，使得下降軌道過(guò)低。類(lèi)似情況之前曾短暫出現過(guò)，但俄方未給予足夠重視，而是繼續降低探測器軌道，最終導致墜毀。

進(jìn)一步分析細節，可知月球25號探測器的問(wèn)題并非只存在于加速度計方面，還包括控制系統總線(xiàn)優(yōu)先級問(wèn)題，推遲了加速度計開(kāi)啟指令，總線(xiàn)收發(fā)調度軟件的錯誤導致指令“丟失”等。而且，“月球25號”的通信協(xié)議沒(méi)有回令，導致飛控軟件沒(méi)發(fā)現加速度計未開(kāi)啟。

有消息稱(chēng)，“月球25號”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(zhuān)業(yè)院所合作，造成飛控程序編寫(xiě)者經(jīng)驗不足，埋下隱患。

破解“高?！彪y題

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

其實(shí)，如果只想實(shí)現著(zhù)陸月面的話(huà)，擁有充分冗余設計、完成足夠測試的航天器所面臨的困難沒(méi)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(zhù)陸方式。但這種探測器的科學(xué)價(jià)值聊勝于無(wú)，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，配置雙組元動(dòng)力系統，構成完整的三軸穩定控制平臺，風(fēng)險挑戰自然就是“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(chēng)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)的大范圍可調節變推力發(fā)動(dòng)機，增大系統風(fēng)險，而是擁有精度足夠高的慣性導航元件和可靠適用的飛控軟件?，F實(shí)中，動(dòng)力系統出現的小問(wèn)題常常被后兩點(diǎn)不足之處“無(wú)限放大”，導致任務(wù)失利。

這樣看來(lái)，解決著(zhù)陸月面難題的核心辦法是，認清本國技術(shù)基礎，選擇適當方案，對各分系統和探測器整機做好測試。但一些探月團隊原本就缺乏在較大引力的天體上著(zhù)陸的工程經(jīng)驗，理應添加足夠的冗余設計，卻限于經(jīng)費、火箭性能等因素，選擇了較小的航天器，導致航天器質(zhì)量受限，冗余不足。

還有一些探月團隊在航天器設計和生產(chǎn)時(shí)把關(guān)不嚴，對易產(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(wèn)題又造成軟件測試不嚴謹，導致故障無(wú)法在航天器地面測試中充分暴露。于是，在環(huán)境更加嚴酷的地月空間中，航天器潛藏的隱患難免出現。

在探測器有動(dòng)力下降階段早期，地面團隊可以介入控制工作，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(méi)有大氣，整個(gè)有動(dòng)力下降段非常依賴(lài)探測器動(dòng)力系統，對飛控的要求較高，容錯率較低。

尤其是探測器即將著(zhù)陸月面之際，發(fā)動(dòng)機噴出的高溫高速氣流會(huì )吹起月塵，很可能遮蔽對地測量?jì)x器，造成較大的數據異常波動(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，月球表面地形復雜多變，儀器監測到特殊地理特征時(shí)，可能產(chǎn)生大范圍數據波動(dòng)，有必要做好數據分析和處理工作。

新挑戰呼喚新方法

新一輪國際探月大潮將月球南極區域作為重點(diǎn)目標，神秘的月球背面也吸引著(zhù)科學(xué)家的目光。當探測器著(zhù)陸月球背面或南極區域時(shí)，由于涉及信號遮擋問(wèn)題，探測器必須保持對中繼星的信號追蹤。此外，月球南極區域地形復雜，適合著(zhù)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據，實(shí)現高精度著(zhù)陸，還要做好應急著(zhù)陸未知地區的預案。

多國正在推進(jìn)建設服務(wù)地月空間的導航星座

目前，為了進(jìn)一步提升月面著(zhù)陸精度，科研人員主要嘗試了兩種手段。

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

不過(guò)，圖像匹配技術(shù)用于月球南極任務(wù)仍存在不足之處。由于月球南極區域地形嚴重破碎化，又存在大量永夜區，傳統探月器的探測效率有限，無(wú)法生成永夜區坑洞內部圖像。為此，美韓等國的探月器配備了紅外輻射計、專(zhuān)用化相機等，正在完善對月球永夜坑的成像效果，有望在輔助探測器著(zhù)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月球導航星座。盡管2013年發(fā)射的月球大氣與塵埃環(huán)境探測器嘗試利用GPS導航衛星信號的波束旁瓣，初步實(shí)現了對月球軌道的定位導航，但地月距離平均達38萬(wàn)公里，探測器依靠近地軌道導航衛星信號進(jìn)行落月的難度很大。當前，多國正在籌備建設月球導航星座，計劃部署多顆衛星，實(shí)現10～50米級月球定位精度。

未來(lái)，月球導航星座有望大幅減少航天器落月任務(wù)對測量?jì)x器的需求，提高可靠性，并增加有效載荷。其中，信號覆蓋月球南極區域的導航星座是“必需品”，不同軌道的多種衛星將提供通信、導航、遙感等服務(wù)。

當前，這兩種手段已在各國探月任務(wù)中初步驗證，有望在未來(lái)數年內逐步實(shí)用化。而隨著(zhù)各國探月計劃推進(jìn)，越來(lái)越多的無(wú)人和載人航天器將著(zhù)陸月球，促使人類(lèi)對月球的認知和開(kāi)發(fā)不斷深入。相信隨著(zhù)更多月面著(zhù)陸地點(diǎn)被選定，更多先進(jìn)、可靠的適應性技術(shù)將顯著(zhù)地造福人類(lèi)。（作者：張晨 圖片來(lái)源：俄羅斯國家航天集團 把關(guān)專(zhuān)家：中國航天科技集團科技委副主任 江帆）

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