探測器落月，為什么還這么難？

文/張晨

2023 年8 月19 日，研制超過20 年的俄羅斯月球著陸探測器“月球25 號”在執行降低環月軌道操作時出現異常，后證實該探測器在計劃84 秒的點火過程中因為發動機無法正常關機，實際工作了127 秒，導致探測器無法維持環月軌道，墜落在月球表面，這是近幾十年來唯一一個在環月軌道階段損失的月球著陸器，也是新世紀以來第5 個損失的月球著陸器。

看起來似乎登陸月球是一件異常困難的事，但是1969 年人類就登上了月球，并且在隨后將無人探測器送上了金星、火星、小行星和土衛六，然而自1976 年蘇聯“月球24 號”任務結束，到2013 年中國的嫦娥三號探測器成功著陸月球北部虹灣，其間37 年沒有探測器著陸月球。2018 年中國嫦娥四號探測器成功著陸月球背面，2020 年“嫦娥五號”圓滿完成月球采樣任務并成功返回地球。在中國創造這些完美記錄的同時，一些國家也開始謀劃自己的月球著陸計劃，比如印度、以色列、日本等。美國也以商業月球運輸服務（CLPS）開展了自己的月球著陸計劃。但進入新世紀以來，人類月球探測器著陸任務以失敗告終者超過半數。這引發了人們的一個疑問：既然人類早在50 年前就抵達了月球，那么相對容易的探測器著陸月球為什么還這么難呢？

上帝不眷顧以色列

創世紀號月球探測器（Beresheet）是以色列航天局（SpaceIL）和以色列航空航天公司（IAI）共同研制的月球著陸器，也是21 世紀發射的第三個月球探測器和第一個失敗的月球著陸任務。

“創世紀號”發射質量585 千克，高1 米，直徑2.3 米。推進系統采用一臺燃燒一甲基肼和綠色四氧化二氮的LEROS-2B 推力器，推力407 牛，真空比沖318 秒。探測器還攜帶有以色列研制的磁力計，以及美國宇航局提供的角反射器，用于精確測量地月距離。

“創世紀號”項目總計耗費9000萬美元，大部分由猶太富翁出資。該探測器旨在參與谷歌發起的月球大獎賽X，以色列航天局掏了一點錢支持。由于探測器本身沒有主動熱控，因此只計劃在月面存活48 小時并且拍攝月球表面照片，還計劃在月球上進行一次跳躍以展示重新定位能力。

2019 年2 月22 日“創世紀號”和印尼通信衛星Nusantara Satu 以及S5 小衛星一同搭乘“獵鷹9”升空。火箭將3 個載荷送入預定的超同步轉移軌道，隨后探測器通過4 次軌道機動提升進入月球轉移軌道。2019 年4月4日探測器完成捕獲，進入月球軌道。

▲ “創世紀”號探測器在熱真空罐中試驗

動力下降開始于2019 年4 月11日。由于LEROS-2B 不是一臺連續變推力發動機，探測器采用一定長度脈沖組合的方式進行動力下降。探測器上慣性測量單元（IMU）出現故障并關機。慣性測量單元通過陀螺儀和速度計測量航天器姿態、速度和航程。因為航天器的慣性測量單元配置有冗余，損失一臺慣性測量單元并不會影響月球著陸。但是地面站決定上行指令重啟2 號慣性測量單元，但要命的是重啟指令中存在錯誤，飛控關閉了發動機。

▲ 搭載在“創世紀號”上的激光角反射器

雖然最終發動機重啟成功，但探測器無力減速，創世紀號探測器以140 米/秒的速度撞上了寧靜海的月表。在美國月球勘測軌道器飛越著陸區時，只在32.5956° N、19.3496°E 的位置發現了一個大坑。很可惜，“創世紀號”是進入本世紀以來月球著陸失利任務中問題最簡單的，如果飛控沒有程序問題，可能就成功了。

以色列人曾經計劃研制第二個著陸器，被命名為“創世紀2”，還和“螢火蟲航天”簽訂了合作協議，但是由于猶太富翁不再向該項目出資，項目最終被迫取消。

印度“月船2 號”著陸失敗

在新一輪月球著陸浪潮中，印度算是參與比較早的國家。“月船”是印度空間研究組織開發的月球探測器的名稱。2008 年10 月，月船1 號探測器發射升空并成功進入月球環繞軌道。由于探測器電源故障，探測器僅運行了設計壽命的一半就失去了聯系，但印度仍然宣稱該任務成功了95%。

▲ 創世紀號探測器在撞擊月表前拍下的最后一張照片

新的著陸探測器被稱為“月船2號”。起初印度計劃和俄羅斯合作，由俄羅斯研制著陸器，印度研制軌道器、巡視器和科學載荷。俄羅斯計劃為“月船2 號”著陸器配置一臺具備深度變推力能力的發動機，探測器發射質量僅為3 噸左右，可以由印度本土GSLV 運載火箭發射。

▲“創世紀號”墜落產生的撞擊坑，由美國月球勘測軌道器拍攝

▲準備扣罩的“月船2 號”，這是印度當時最復雜的航天器

但俄羅斯研制著陸器的進度緩慢，印度空間研究組織決心獨自研發月球著陸器，而印度的科研實力不足以研發深度變推力發動機，因此著陸器改為采用由5 臺440 牛遠地點發動機改進來的800 牛推力器，在一些報道中宣稱這些發動機具有40%～100%的變推能力，但在另一些文件中這些發動機只有80%～100%的變推能力，因此印度使用通過改變發動機開關數量和小范圍調節推力以實現對連續變推力曲線的近似擬合。

“月船2 號”于2019 年7 月22日發射升空，2019年9月6日著陸器“維克拉姆”進行動力下降，但著陸器在著陸期間突然翻滾，最終夢碎月球。

▲ “月船2 號”，可以看到其3 臺著陸發動機

“維克拉姆”著陸的第一階段被稱為“粗略減速階段”，著陸器依靠慣性測量單元進行盲降，4 臺著陸發動機全推力運行。“粗略減速階段”結束后進入“姿態維持階段”。在此階段著陸器保證姿態不變，通過微波測速測距儀和激光測距儀測量著陸器狀態，此時發動機推力在包線上緣運行，但為了維持著陸器姿態沒有進行著陸器速度修正。接下來進入第三階段“精細減速階段”，在此階段調姿速率上限被設定為10°/秒，在前序誤差累積的影響下，由于調姿過慢，調姿結束后著陸器水平速度過低，垂直速度過高。飛控發現著陸器無法抵達預定著陸點，飛控在無法同時滿足著陸器在當前軌跡下著陸至預定點，于是直接崩潰，隨后“維克拉姆”著陸器失去控制，以58 米/秒的速度墜落于月球南極高地，位于70.8810°S、22.7840°E，美國月球勘測軌道器的圖像表明著陸器的墜落地點距離預計著陸點僅600 米。

對于月球南極復雜的地形來說，在長距離動力下降過程中測速測高設備可能會因為地形變動導致極其離譜的數據跳變，如果程序有缺陷或者濾波沒做好就會導致程序故障，引發任務失敗。因此，如果對自己的測高儀不夠自信的話，采用盲降策略是很好的辦法，但需要精度夠高的慣性測量單元。整體看下來，“月船2 號”著陸的失利有運氣不足的成分，也有軟硬件不夠智能的成分。比如說幾個測速測距儀必須恒定指向對月測量，著陸器也不能一邊測量一邊修正。

▲ “月船2 號”墜落并爆炸的痕跡，由美國月球勘測軌道器拍攝

▲ “好客號”微型月球著陸器

日本“好客號”夭折的創新

日本也曾有一個龐大的月球著陸探測計劃，也就是月球女神2 號任務，但它的經費被挪用去開發日本情報收集衛星IGS。但日本宇宙航空研究開發機構仍然開發了一些小型月球著陸探測器，比如“好客號”。該探測器于2022 年11 月搭乘美國SLS 火箭發射升空。“好客號”本質上是一個14千克重的6U 立方星。如果放在別的地方它可能只是一個平平無奇、無人關注的小衛星，但作為人類歷史上最小的月球著陸探測器，“好客號”在其設計中擁有足夠的亮點和創新性，不乏一些大膽的設想，是一個十分有趣的探測器。

“好客號”雖然只重14 千克，但其由3 個部分組成：7 千克的巡航級、6 千克的動力下降單元和1 千克的著陸器。巡航級內還安裝有一套反作用飛輪和一套由兩組推力器構成的冷氮氣推進系統。該立方星內攜帶了UHF、X 和S 波段總計4 套通信設施，并且著陸器上還搭載了相機和輻射計用于研究月球表面輻射環境和土壤。該探測器上甚至還攜帶了原子鐘和一套激光點火裝置。該探測器貫徹了日本深空任務“麻雀雖小五臟俱全”的設計思路，而如此多的設施能夠集成在一顆14 千克的6U 立方星內，實在令人對日本的微型化技術感到震驚。

由于6 千克的動力下降模塊肯定不能像傳統探測器一樣使用雙組元常壓式擠壓推進系統，而1 千克的著陸器上也無法攜帶任何測高測速裝置，因此“好客號”著陸器在與巡航級分離后，以類似“神風特攻”的方法點燃固體火箭減速2500 米/秒，然后展開氣囊進行半硬著陸。此階段完全不依靠任何測量裝置，對著陸精度和接地速度的要求也比一般探測器放寬許多，它將驗證日本宇宙航空研究開發機構的分布式微納深空探測系統的可行性。

與SLS火箭末級分離后，“好客號”突然進入了高達80°/秒的自旋，并且很不幸，它的自旋方向使得太陽能帆板背對太陽，因此無法充電。高速自旋使得探測器的星敏感器等全部飽和，因此冷氣推力器無法介入控制，而依靠反作用輪無法完成姿態糾正。馬德里深空站曾經斷斷續續收到“好客號”掙扎的信號，但隨著探測器沿著奔月軌道越過預計的修正點，一切都不可挽回了。

對于“好客號”的失聯，有一個不小的可能是對這些小衛星按順序分離的近場安全性分析并不完備，導致一些立方星被彈射出去時撞上了適配器，引發了遠超預期的擾動。日本宇宙航空研究開發機構曾稱到2023 年3月“好客號”的太陽能板可能會朝向太陽得以充電，但長達半年的深空航行中低溫將會嚴重破壞探測器的電子設備，因而喚醒的概率無限接近于0。

日本“白兔-R”的遭遇

“白兔-R”（Hakuto-R）月球探測器是由日本私營商業航天公司iSPACE設計建造的小型著陸探測器，于2022年12 月11 日搭乘獵鷹9 火箭發射升空，經過低能轉移軌道后抵達月球，在2023 年4 月25 日嘗試著陸月球。該探測器攜帶了阿聯酋的月球巡視器“拉希德-1”號和LEV-1 兩輪月球巡視器。但探測器在著陸前失去聯系，墜落在月球表面，任務失敗。

▲ 肯尼迪航天中心的工作人員正在往SLS 火箭適配器上安裝立方星

▲ “白兔-R”月球著陸器

“白兔-R”是日本私營深空探測公司iSPACE 參與谷歌月球大獎賽X的項目白兔號探測器的重啟。該探測器由iSPACE 公司設計，依靠阿里安宇航公司在德國的供應鏈完成了組裝，隨后被運輸至卡納拉維拉爾角發射。

“白兔-R”探測器發射質量1 噸，干重340 千克，配置6 臺200 牛推力器用于軌道機動和著陸月球。該探測器采用低能轉移軌道方案以減少探測器近月制動所需的燃料量和航天器的復雜度，因此奔月過程長達3 個月，“白兔-R”直 到2023 年3 月21 日才進入月球軌道。計劃目標著陸點位于47.5° N、44.4°E 的阿特拉斯撞擊坑附近。

“白兔-R”早期計劃著陸地點是位于37.56°N、30.8°E 的“夢之湖”地區，動力下降軌跡地形數據并未根據新的著陸點予以調整。動力下降開始后，航天器的主控計算機開始采集高度計的數據用于判定軌跡。在探測器飛越一個隕石坑時，高度計掃過陡峭的懸崖時得到了高度數據突躍，然而飛控計算機認為高度計出現突躍是高度計故障的表現，因此關閉了探測器高度計，開始完全依靠慣性測量單元數據進行盲降。

慣性測量單元在動力下降開始時測量的探測器高度比實際高度低3 千米，而動力下降段結束時，探測器依靠慣性測量單元數據認為自己已經接近月表，進入緩速下降階段。但實際上這個高度比實際的月面高度高出了整整5 千米。探測器以“已經接近月表”的認知緩慢下降準備接地，下降了一段后燃料耗盡，最終墜落在月球表面47.581°N,、44.094°E 的位置，摔成了四大塊。

“白兔-R”的失敗是多種疏忽和失誤共同造成的。慣性測量單元誤差較大，可能是由于采購的商業器件不適合長期深空飛行而導致精度過低，這是著陸失敗的直接原因。而因為數據跳變就直接隔離高度計的飛控在故障判讀和隔離上堪稱失職，因此飛控軟件的問題也促進了著陸失敗——倘若高度計沒有隔離的話，探測器仍然能夠獲得實時高度數據，或許就不會失敗。本質上，“白兔-R”的著陸器完全沒有經過測試，完成總裝后直接運往發射場準備發射。對測試的忽視是導致月球著陸失敗的根本原因。

與其怪罪構架，不如認真測試

因為阿波羅計劃中的登月艙和我國“嫦娥工程”中均使用連續深度變推力發動機并且均獲得全勝，有一些觀點認為，著陸月球必須使用連續深度變推力發動機才能取得成功。這個結論無疑是片面的。

固定推力脈沖或多發變推力著陸策略廣泛應用于蘇聯月球探測器和美國火星探測任務。不可變推力的KTDU-417 助推蘇聯2 個月球巡視器和3 次采樣返回任務取得成功，而單組元脈沖變推力發動機廣泛應用于美國火星探測任務，從1976 年的“海盜1 號”到最新的毅力號火星巡視器，證明并非連續深度變推力發動機才能完成稀薄大氣地外天體軟著陸任務，脈沖方案也可以勝任。

但相比連續深度變推，脈沖方案需要調整脈沖長度和時間，同時多次開閉對系統的可靠性要求較高，連續啟停階段推力室內混合比變動大，燃燒穩定度和推力控制精度較差。在登月過程這種容錯較小的環境下，使用連續深度變推可以提供更好的推力平滑度和調整能力，并且其具備“懸停”能力，能夠更好地規避復雜月面環境，尤其是在月球南極這種復雜地形下著陸的情況。

▲ “白兔-R”的殘骸撒在月球上

從蘇聯“月球9 號”借助氣囊軟著陸月球，到登月艙下降發動機輕柔地將“阿波羅11 號”的“鷹”號登月艙著陸在寧靜海，再到7500 牛變推力發動機推動“嫦娥四號”著陸在月球背面，這些任務的成功，離不開大量的資金投入、系統測試、故障排除，乃至航天器的損失。

蘇聯的“月球9 號”是該系列中第十二個發射的探測器，前面十一個全部損失了。美國在阿波羅計劃之前的“勘探者號”和“徘徊者號”系列也是損失慘重，最后依靠資金投入研發的登月艙下降發動機實現了1:10 深度變推，保證阿波羅登月艙成功著陸。這些航天器都經過了無數的測試，仍然在飛行過程中可能出現一些問題，需要現場解決。

反觀21 世紀的月球著陸任務，除去因為運載火箭而失敗的“好客號”任務，另外幾個都存在測試、軟件和硬件的不足，不夠精確的慣性測量單元、互相干擾的飛控、意外關機的指令等造就了21 世紀月球著陸任務的數次失敗。目前看來，以色列、日本和印度都缺乏在大引力天體著陸的工程經驗，理應添加足夠的冗余。但由于經費和運載火箭性能限制，三國均選擇了建造較小的航天器，導致航天器本身質量受限、冗余不足。在航天器設計和生產時對容易產生單點故障的位置故障分析和隔離研究做得不夠，同時投機心態又使得對航天器的測試不足，故障完全無法在地面測試中暴露，所以在真正開始動力下降的時候，自然就接二連三地出問題了。