10月3日，俄羅斯國家航天集團公布了月球25號探測器墜毀月麵的初步調查結果，引發外界關(guan) 注。從(cong) 俄方公布的信息中，外界可以解讀出哪些關(guan) 鍵之處？人類探月史已有半個(ge) 多世紀了，航天器軟著陸月麵仍麵臨(lin) 哪些困難？哪些新技術、新方案有望幫助任務成功呢？

失敗背後細節探究

俄羅斯國家航天集團發布公告稱，8月19日，月球25號探測器從(cong) 繞月軌道轉入落月軌道時，發動機點火運行了127秒，而不是計劃設定的84秒，導致探測器進入了更低的非目標軌道，最終與(yu) 月球表麵相撞。

“月球25號”任務失利令外界遺憾，因為(wei) 俄羅斯繼承了蘇聯在探月領域的技術底蘊，而這項探月計劃早在20世紀90年代就開始推進。如果順利的話，“月球25號”將軟著陸在月球南半球高緯度地區，並使用8台儀(yi) 器和“俄羅斯有史以來最複雜的空間機械臂”，開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”的動力係統與(yu) 蘇聯多款探月器類似，未使用深度變推力發動機或多台可變推力發動機，而是選擇1台大推力主發動機和2台遊動發動機的組合。在探測器有動力下降階段，發動機組將點火兩(liang) 次，第一次是為(wei) 了“消除”水平速度，確保探測器安全轉入垂直下落，隨後第二次點火，“消除”垂直速度，確保探測器實現月麵軟著陸。

其實，這種落月方案的風險不容忽視，對設備故障的容許度更低，但所需技術相對簡單。有觀點認為(wei) ，在經曆了兩(liang) 次火星探測任務失敗後，俄羅斯航天單位認清了自身技術薄弱之處，所以盡量參考蘇聯經驗。

然而，將軌道近月點高度從(cong) 100公裏下降到18公裏的過程中，“月球25號”發動機組工作異常，造成了近年來罕見的失敗於(yu) 環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發送，導致部分儀(yi) 器未正常工作，又引發了綜合控製係統異常運行，無法在探測器達到預定速度之際及時關(guan) 閉推進係統。

具體(ti) 來說，“月球25號”慣性導航組件中的加速度計未正常工作，使得探測器在製動期間無法根據加速度計數據來實測自身軌道變化，更不能及時關(guan) 閉發動機，而是被迫讓發動機工作到了最長允許時間，使得下降軌道過低。類似情況之前曾短暫出現過，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。

進一步分析細節，可知月球25號探測器的問題並非隻存在於(yu) 加速度計方麵，還包括控製係統總線優(you) 先級問題，推遲了加速度計開啟指令，總線收發調度軟件的錯誤導致指令“丟(diu) 失”等。而且，“月球25號”的通信協議沒有回令，導致飛控軟件沒發現加速度計未開啟。

有消息稱，“月球25號”的總承包商拉沃契金科研生產(chan) 聯合體(ti) 並未與(yu) 俄航天器飛控軟件專(zhuan) 業(ye) 院所合作，造成飛控程序編寫(xie) 者經驗不足，埋下隱患。

破解“高危”難題

“月球25號”是近5年來第五個(ge) 著陸失敗的月球探測器。50多年前，人類多次登上月球，且當前諸多技術領域早已取得大幅進步，但新世紀航天器落月成功率仍不到50%，可見航天器安全落月並非很簡單的任務。

其實，如果隻想實現著陸月麵的話，擁有充分冗餘(yu) 設計、完成足夠測試的航天器所麵臨(lin) 的困難沒那麽(me) 大。比如，去年底落月失敗的日本微型月球探測器在本質上是12U立方星，僅(jin) 有10多公斤，選擇了半硬著陸方式。但這種探測器的科學價(jia) 值聊勝於(yu) 無，新一代落月航天器往往需要搭載足夠的科學儀(yi) 器和月球巡視器，配置雙組元動力係統，構成完整的三軸穩定控製平台，風險挑戰自然就是“水漲船高”。

航天器發射、進入繞月軌道已是探月任務的“基本功”，而在本世紀5次落月失敗任務中，有動力下降階段是大部分探測器的“高危”時刻，堪稱落月任務的核心難點。想要解決(jue) 這個(ge) 難題，關(guan) 鍵不是盲目地追求先進的大範圍可調節變推力發動機，增大係統風險，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。現實中，動力係統出現的小問題常常被後兩(liang) 點不足之處“無限放大”，導致任務失利。

這樣看來，解決(jue) 著陸月麵難題的核心辦法是，認清本國技術基礎，選擇適當方案，對各分係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(ti) 上著陸的工程經驗，理應添加足夠的冗餘(yu) 設計，卻限於(yu) 經費、火箭性能等因素，選擇了較小的航天器，導致航天器質量受限，冗餘(yu) 不足。

還有一些探月團隊在航天器設計和生產(chan) 時把關(guan) 不嚴(yan) ，對易產(chan) 生單點故障的位置缺乏足夠的故障分析和隔離研究，心態問題又造成軟件測試不嚴(yan) 謹，導致故障無法在航天器地麵測試中充分暴露。於(yu) 是，在環境更加嚴(yan) 酷的地月空間中，航天器潛藏的隱患難免出現。

在探測器有動力下降階段早期，地麵團隊可以介入控製工作，但在此階段後期主要由探測器自主測量和決(jue) 策。由於(yu) 月球基本上沒有大氣，整個(ge) 有動力下降段非常依賴探測器動力係統，對飛控的要求較高，容錯率較低。

尤其是探測器即將著陸月麵之際，發動機噴出的高溫高速氣流會(hui) 吹起月塵，很可能遮蔽對地測量儀(yi) 器，造成較大的數據異常波動。為(wei) 此，儀(yi) 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(yi) 器，以防落月任務功虧(kui) 一簣。另外，月球表麵地形複雜多變，儀(yi) 器監測到特殊地理特征時，可能產(chan) 生大範圍數據波動，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(wei) 重點目標，神秘的月球背麵也吸引著科學家的目光。當探測器著陸月球背麵或南極區域時，由於(yu) 涉及信號遮擋問題，探測器必須保持對中繼星的信號追蹤。此外，月球南極區域地形複雜，適合著陸的麵積較小，這就要求探測器能夠更加出色地處理地形數據，實現高精度著陸，還要做好應急著陸未知地區的預案。

多國正在推進建設服務地月空間的導航星座

目前，為(wei) 了進一步提升月麵著陸精度，科研人員主要嚐試了兩(liang) 種手段。

第一種是應用圖像匹配技術。今年9月，日本SLIM月球著陸器升空，明年初計劃借助美日韓等國的月球環繞器的數據，進行圖像匹配製導，力爭(zheng) 實現100米級落月精度，並探測月球熔岩管等潛在的月球基地備選地。

不過，圖像匹配技術用於(yu) 月球南極任務仍存在不足之處。由於(yu) 月球南極區域地形嚴(yan) 重破碎化，又存在大量永夜區，傳(chuan) 統探月器的探測效率有限，無法生成永夜區坑洞內(nei) 部圖像。為(wei) 此，美韓等國的探月器配備了紅外輻射計、專(zhuan) 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陸月球南極時發揮更大的作用。

第二種手段是盡快建設月球導航星座。盡管2013年發射的月球大氣與(yu) 塵埃環境探測器嚐試利用GPS導航衛星信號的波束旁瓣，初步實現了對月球軌道的定位導航，但地月距離平均達38萬(wan) 公裏，探測器依靠近地軌道導航衛星信號進行落月的難度很大。當前，多國正在籌備建設月球導航星座，計劃部署多顆衛星，實現10～50米級月球定位精度。

未來，月球導航星座有望大幅減少航天器落月任務對測量儀(yi) 器的需求，提高可靠性，並增加有效載荷。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。

當前，這兩(liang) 種手段已在各國探月任務中初步驗證，有望在未來數年內(nei) 逐步實用化。而隨著各國探月計劃推進，越來越多的無人和載人航天器將著陸月球，促使人類對月球的認知和開發不斷深入。相信隨著更多月麵著陸地點被選定，更多先進、可靠的適應性技術將顯著地造福人類。（作者：張晨 圖片來源：俄羅斯國家航天集團 把關(guan) 專(zhuan) 家：中國航天科技集團科技委副主任 江帆）

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