人类探月已有半个多世纪，为何航天器软着陆月面依旧面临困难？

10月3日，俄罗斯国家航天集团公布了月球25号探测器坠毁月面的初步调查结果，引发外界关注。从俄方公布的信息中，外界可以解读出哪些关键之处？人类探月史已有半个多世纪了，航天器软着陆月面仍面临哪些困难？哪些新技术、新方案有望帮助任务成功呢？

失败背后细节探究

俄罗斯国家航天集团发布公告称，8月19日，月球25号探测器从绕月轨道转入落月轨道时，发动机点火运行了127秒，而不是计划设定的84秒，导致探测器进入了更低的非目标轨道，最终与月球表面相撞。

“月球25号”任务失利令外界遗憾，因为俄罗斯继承了苏联在探月领域的技术底蕴，而这项探月计划早在20世纪90年代就开始推进。如果顺利的话，“月球25号”将软着陆在月球南半球高纬度地区，并使用8台仪器和“俄罗斯有史以来最复杂的空间机械臂”，开展月球样本采集分析。

俄罗斯月球25号探测器变轨示意图

“月球25号”的动力系统与苏联多款探月器类似，未使用深度变推力发动机或多台可变推力发动机，而是选择1台大推力主发动机和2台游动发动机的组合。在探测器有动力下降阶段，发动机组将点火两次，第一次是为了“消除”水平速度，确保探测器安全转入垂直下落，随后第二次点火，“消除”垂直速度，确保探测器实现月面软着陆。

其实，这种落月方案的风险不容忽视，对设备故障的容许度更低，但所需技术相对简单。有观点认为，在经历了两次火星探测任务失败后，俄罗斯航天单位认清了自身技术薄弱之处，所以尽量参考苏联经验。

然而，将轨道近月点高度从100公里下降到18公里的过程中，“月球25号”发动机组工作异常，造成了近年来罕见的失败于环月轨道阶段的月球着陆案例。俄方指出，最有可能的事故原因是大量指令同时发送，导致部分仪器未正常工作，又引发了综合控制系统异常运行，无法在探测器达到预定速度之际及时关闭推进系统。

具体来说，“月球25号”惯性导航组件中的加速度计未正常工作，使得探测器在制动期间无法根据加速度计数据来实测自身轨道变化，更不能及时关闭发动机，而是被迫让发动机工作到了最长允许时间，使得下降轨道过低。类似情况之前曾短暂出现过，但俄方未给予足够重视，而是继续降低探测器轨道，最终导致坠毁。

进一步分析细节，可知月球25号探测器的问题并非只存在于加速度计方面，还包括控制系统总线优先级问题，推迟了加速度计开启指令，总线收发调度软件的错误导致指令“丢失”等。而且，“月球25号”的通信协议没有回令，导致飞控软件没发现加速度计未开启。

有消息称，“月球25号”的总承包商拉沃契金科研生产联合体并未与俄航天器飞控软件专业院所合作，造成飞控程序编写者经验不足，埋下隐患。

破解“高危”难题

“月球25号”是近5年来第五个着陆失败的月球探测器。50多年前，人类多次登上月球，且当前诸多技术领域早已取得大幅进步，但新世纪航天器落月成功率仍不到50%，可见航天器安全落月并非很简单的任务。

其实，如果只想实现着陆月面的话，拥有充分冗余设计、完成足够测试的航天器所面临的困难没那么大。比如，去年底落月失败的日本微型月球探测器在本质上是12U立方星，仅有10多公斤，选择了半硬着陆方式。但这种探测器的科学价值聊胜于无，新一代落月航天器往往需要搭载足够的科学仪器和月球巡视器，配置双组元动力系统，构成完整的三轴稳定控制平台，风险挑战自然就是“水涨船高”。

航天器发射、进入绕月轨道已是探月任务的“基本功”，而在本世纪5次落月失败任务中，有动力下降阶段是大部分探测器的“高危”时刻，堪称落月任务的核心难点。想要解决这个难题，关键不是盲目地追求先进的大范围可调节变推力发动机，增大系统风险，而是拥有精度足够高的惯性导航元件和可靠适用的飞控软件。现实中，动力系统出现的小问题常常被后两点不足之处“无限放大”，导致任务失利。

这样看来，解决着陆月面难题的核心办法是，认清本国技术基础，选择适当方案，对各分系统和探测器整机做好测试。但一些探月团队原本就缺乏在较大引力的天体上着陆的工程经验，理应添加足够的冗余设计，却限于经费、火箭性能等因素，选择了较小的航天器，导致航天器质量受限，冗余不足。

还有一些探月团队在航天器设计和生产时把关不严，对易产生单点故障的位置缺乏足够的故障分析和隔离研究，心态问题又造成软件测试不严谨，导致故障无法在航天器地面测试中充分暴露。于是，在环境更加严酷的地月空间中，航天器潜藏的隐患难免出现。

在探测器有动力下降阶段早期，地面团队可以介入控制工作，但在此阶段后期主要由探测器自主测量和决策。由于月球基本上没有大气，整个有动力下降段非常依赖探测器动力系统，对飞控的要求较高，容错率较低。

尤其是探测器即将着陆月面之际，发动机喷出的高温高速气流会吹起月尘，很可能遮蔽对地测量仪器，造成较大的数据异常波动。为此，仪器需做好隔离、滤波等措施，或者选择可以穿透月尘测量的特殊仪器，以防落月任务功亏一篑。另外，月球表面地形复杂多变，仪器监测到特殊地理特征时，可能产生大范围数据波动，有必要做好数据分析和处理工作。

新挑战呼唤新方法

新一轮国际探月大潮将月球南极区域作为重点目标，神秘的月球背面也吸引着科学家的目光。当探测器着陆月球背面或南极区域时，由于涉及信号遮挡问题，探测器必须保持对中继星的信号追踪。此外，月球南极区域地形复杂，适合着陆的面积较小，这就要求探测器能够更加出色地处理地形数据，实现高精度着陆，还要做好应急着陆未知地区的预案。

多国正在推进建设服务地月空间的导航星座

目前，为了进一步提升月面着陆精度，科研人员主要尝试了两种手段。

第一种是应用图像匹配技术。今年9月，日本SLIM月球着陆器升空，明年初计划借助美日韩等国的月球环绕器的数据，进行图像匹配制导，力争实现100米级落月精度，并探测月球熔岩管等潜在的月球基地备选地。

不过，图像匹配技术用于月球南极任务仍存在不足之处。由于月球南极区域地形严重破碎化，又存在大量永夜区，传统探月器的探测效率有限，无法生成永夜区坑洞内部图像。为此，美韩等国的探月器配备了红外辐射计、专用化相机等，正在完善对月球永夜坑的成像效果，有望在辅助探测器着陆月球南极时发挥更大的作用。

第二种手段是尽快建设月球导航星座。尽管2013年发射的月球大气与尘埃环境探测器尝试利用GPS导航卫星信号的波束旁瓣，初步实现了对月球轨道的定位导航，但地月距离平均达38万公里，探测器依靠近地轨道导航卫星信号进行落月的难度很大。当前，多国正在筹备建设月球导航星座，计划部署多颗卫星，实现10～50米级月球定位精度。

未来，月球导航星座有望大幅减少航天器落月任务对测量仪器的需求，提高可靠性，并增加有效载荷。其中，信号覆盖月球南极区域的导航星座是“必需品”，不同轨道的多种卫星将提供通信、导航、遥感等服务。

当前，这两种手段已在各国探月任务中初步验证，有望在未来数年内逐步实用化。而随着各国探月计划推进，越来越多的无人和载人航天器将着陆月球，促使人类对月球的认知和开发不断深入。相信随着更多月面着陆地点被选定，更多先进、可靠的适应性技术将显著地造福人类。（作者：张晨 图片来源：俄罗斯国家航天集团 把关专家：中国航天科技集团科技委副主任 江帆）