登月確實有難度

進入21世紀以來，中國的嫦娥探月工程先后實施了包括嫦娥一號、嫦娥二號、嫦娥三號、嫦娥五號T1、鵲橋中繼星、嫦娥四號、嫦娥五號總計7次月球探測器任務(wù)，包括3次登月與1 次月球采樣返回，載人航天工程與探月工程在月球表面的大會師，也將是我們在未來8年內(nèi)要做的事。

盡管中國嫦娥探月工程的穩(wěn)步實施，讓登月這件事看上去并不困難，然而反觀2022年全球推出的各項登月計劃，其實施成果或許才能真正顯示出，登月其實絕非易事。

放眼全球，除中國以外，已有半個世紀沒有國家實施過月球軟著陸任務(wù)。這意味著，服務(wù)月球登陸探測的整個體系架構(gòu)需要從頭再來，包括人才團隊、產(chǎn)業(yè)鏈、測試系統(tǒng)、支持保障系統(tǒng)，等等。即便拋開這些斷檔因素，半個世紀前的登月技術(shù)，已經(jīng)無法滿足今時今日的需求。

半個世紀前的無人登月著陸器皆為“盲降”，也就是預(yù)先選定一大塊平坦的著陸區(qū)，然后讓著陸器根據(jù)計算好的彈道，“閉著眼睛”落下去，能不能成功全憑概率，或者說是運氣。只有阿波羅登月計劃引入了宇航員的控制作用。比如執(zhí)行首次載人登月任務(wù)的阿波羅11號，如果不是宇航員在最后時刻接管了鷹號登月艙，那么登月行動，就必然會因為撞向環(huán)形山而功虧一簣。

直至21世紀初期的嫦娥三號，人類才得以終結(jié)無人探測器盲降月球的歷史。近幾年，也不乏其他探測器嘗試月面軟著陸任務(wù)，比如以色列的創(chuàng)世紀號探測器、印度的月船2號著陸器，結(jié)果都以失敗告終。

正因為如此，美國航空航天局（NASA）主管科學(xué)任務(wù)的澤布琛提醒參與“月表商業(yè)有效載荷交付服務(wù)”（Commercial LunarPayload Services，簡寫為CLPS，主要負責和NASA 的承包商簽訂月球任務(wù)中著陸器/ 飛行器、月球車、運輸火箭等的商業(yè)合約）的公司，要對登月的難度與風(fēng)險有清醒的認知，而他本人也做好了失敗的準備。他說，雖然希望“射門”都能打到門框范圍內(nèi)，但并不指望每次射門都進球。

2022年年初，世界上先后有6個探測器項目預(yù)定了登陸月球的目標—游隼任務(wù)-1（美國）、直覺機器任務(wù)-1（美國）、白兔-R 任務(wù)-1（日本）、探月智能著陸器SLIM（日本）、月船3號（印度）、月球25號（俄羅斯）。其中，近半數(shù)都服務(wù)于阿爾忒彌斯計劃。時值年末，這6個項目的任務(wù)進展如何？我們能從中看到什么？中國又將對群雄逐鹿的月球作何反應(yīng)？

阿爾忒彌斯計劃是一個由美國政府資助的載人航天項目， 于2017年宣布推出。其目標是在2024年前將宇航員平安送往月球并返回，同時建立常態(tài)化駐留機制， 為未來的火星載人登陸任務(wù)鋪就道路， 是美國鞏固航天領(lǐng)先地位、維持國家影響力、實現(xiàn)國家戰(zhàn)略目標的重大項目。

阿爾忒彌斯計劃由美國航空航天局主導(dǎo)，多家美國商業(yè)航天公司及國際合作伙伴參與其中，包括歐洲航天局、日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)、加拿大國家航天局、意大利航天局、澳大利亞國家航天局、英國航天局、阿聯(lián)酋航天局等。阿爾忒彌斯計劃作為美國繼阿波羅計劃之后的又一項月球探測工程，規(guī)模龐大，任務(wù)密集， 計劃在2030年前進行11次發(fā)射任務(wù)，2024年實現(xiàn)月球南極載人登陸，2 028年前實現(xiàn)宇航員在月持續(xù)生存。

截至2022年12月，加入《阿爾忒彌斯協(xié)定》的成員國有23個。

2022年11月16日，美國新一代重型運載火箭SLS（Space Launch System，簡寫為SLS，又名“太空發(fā)射系統(tǒng)”）從肯尼迪航天中心首次成功發(fā)射，將獵戶座載人飛船送往月球軌道。這次任務(wù)是阿爾忒彌斯計劃的首次試飛任務(wù)。

游隼任務(wù)-1（美國）

游隼著陸器由美國的天體機器人公司AstroboticTechnology負責研制，該著陸器承接了NASA“月表商業(yè)有效載荷交付服務(wù)”的第一份商業(yè)運輸合同，在該計劃框架內(nèi)的任務(wù)編號是“CLPS-1”。

游隼著陸器發(fā)射質(zhì)量1.285噸（包含0.45噸推進劑），首次任務(wù)搭載14臺有效載荷（包括11臺NASA 的有效載荷和3臺其他商業(yè)伙伴的有效載荷），有效載荷總重90公斤，著陸下降發(fā)動機是5臺ISE-100發(fā)動機，單臺推力660牛左右，總推力3300牛，推力相當于嫦娥系列著陸器使用的7500牛變推力發(fā)動機的一半。

游隼著陸器無定點著陸能力，著陸誤差24×6公里。由于沒有配置類似同位素核熱源的輔助熱控設(shè)備，游隼著陸器著陸后并不能像嫦娥系列著陸器那樣超長待機，只能在月面生存不超過14天。

游隼任務(wù)-1的著陸點在月球正面東北方向的死湖。這里有大片開闊平原，為不具有定點著陸能力的游隼著陸器提供了相對安全的著陸區(qū)，降低了登月任務(wù)的難度。且人類此前探測器均未到訪此地，有實地考察的科學(xué)價值。

游隼任務(wù)-1原計劃于2021年發(fā)射，由于商業(yè)航天公司美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（United Launch? Alliance，簡寫為ULA）的火神-半人馬座火箭首飛推遲，導(dǎo)致任務(wù)進度不得不放緩。目前，最新計劃是2023年第一季度發(fā)射，不過作為新火箭，出現(xiàn)種種問題推遲到第二季度也是有可能的。

直覺機器任務(wù)-1（美國）

美國的月球探測公司直覺機器（Intuitive Machines，簡寫為IM）于3年前簽訂了NASA“月表商業(yè)有效載荷交付服務(wù)”的第二份合同，任務(wù)編號“CLPS-2”，將使用Nova-C（即新星-C）著陸器承運多個有效載荷至月球正面。

新星-C 著陸器發(fā)射質(zhì)量1.9噸，攜帶9臺有效載荷，有效載荷總重約100公斤，反推發(fā)動機是一臺4000牛變推力發(fā)動機，推進劑是液氧甲烷。

直覺機器任務(wù)-1（即IM-1）預(yù)選著陸區(qū)在月球正面北半球的澄海與危海之間，預(yù)選著陸區(qū)直徑約200米。因新星-C 著陸器具有定點落月能力，這一著陸區(qū)相較于游隼任務(wù)-1的預(yù)選著陸區(qū)，范圍要小得多。

直覺機器任務(wù)-1原定于2022年12月由獵鷹9號火箭在卡納維拉爾角發(fā)射升空，器箭分離后探測器將進入到一條近地點185公里、遠地點6萬公里的大橢圓軌道，之后由探測器自主進行跨月轉(zhuǎn)移。也就是說，在此次發(fā)射任務(wù)中，該探測器并不能像嫦娥系列著陸器那樣直接進入地月轉(zhuǎn)移軌道。目前該計劃已推遲至2023年一季度發(fā)射。

此時，距離阿波羅17號登月已經(jīng)過去了整整50年，直覺機器任務(wù)-1也許將成為時隔半個世紀之后，美國再次恢復(fù)月球表面軟著陸能力的首個任務(wù)。

白兔-R 任務(wù)-1（日本）

白兔-R（Hakuto-R）任務(wù)-1是日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（Japan Aerospace Exploration? Agency，簡寫為JAXA）的商業(yè)月球探測計劃內(nèi)任務(wù)，白兔-R 著陸器由日本私營太空創(chuàng)業(yè)公司iSpace 承擔主要的研發(fā)任務(wù)，其名稱中的“白兔”是基于嫦娥奔月故事的日本版本中的兔子。

白兔-R 某種程度上可以看作是多國合作的產(chǎn)物，該探測器原計劃2021年發(fā)射，由于研制過程中遭遇了一系列棘手難題，遂將發(fā)射日期調(diào)整至2022年第四季度。

2022年12月11日，白兔-R 探測器搭載美國SpaceX公司的獵鷹9號火箭在卡納維拉爾角發(fā)射升空。按計劃，將在2023年4月嘗試在月球表面著陸，登陸地點是月球正面北半球東北方向的夢湖。這片月海地勢平坦，便于安全著陸，表明此著陸器尚不能適應(yīng)復(fù)雜月面地形的軟著陸任務(wù)。白兔-R 著陸器無月夜生存能力，月面活動時間約14個地球日。

此任務(wù)成功后，iSpace公司將成為日本首個發(fā)射探測器登陸月球的民間企業(yè)，而日本也將成為全球第4個掌握月面軟著陸能力的國家。

探月智能著陸器SLIM（日本）

作為繼月亮女神號繞月衛(wèi)星之后， 時隔15年， 由日本國家主導(dǎo)的登月任務(wù)——探月智能著陸器（Smart Lander for Investigating Moon，簡寫為SLIM），原計劃于2022年發(fā)射，成為日本第一個實現(xiàn)月面軟著陸的探測器，但是由于部分科學(xué)探測載荷研制推遲，導(dǎo)致發(fā)射計劃推遲至2023年，意味著其任務(wù)進度將落后于該國商業(yè)航天公司iSpace的白兔-R 任務(wù)-1。

探月智能著陸器的體量比白兔-R著陸器小，但它所承擔的任務(wù)更為艱巨，那就是基于地形相對導(dǎo)航技術(shù)實現(xiàn)定點落月，這也是該項目進度之所以落后于白兔-R 的原因。

地外天體探測的初期任務(wù)通常以攻克工程難題為主，比如嫦娥探月工程的“繞、落、回”。日本的探月智能著陸器也是如此，其肩負的首要任務(wù)就是攻克基于地形相對導(dǎo)航的定點落月技術(shù)，而科學(xué)探測任務(wù)并不多，因此也沒有配置同位素核熱源，不具備月夜生存能力。該探測器的設(shè)計壽命也是1個月晝，14個地球日左右，這主要也是受限于整體預(yù)算太少的原因。

月球-25號（俄羅斯）

月球-25號是俄羅斯的第一個月球探測器，原計劃2022年9月發(fā)射，如果一切順利，這也將是時隔46年之后繼月球-24號，月球系列探測器重出江湖的時刻。然而事與愿違，由于多普勒速度和測距儀被發(fā)現(xiàn)不符合技術(shù)規(guī)范的精度要求，因此發(fā)射至少推遲到2023年7月。

月球-25號是一款高價值月球探測器。在2022年各國計劃發(fā)射的一系列登月探測器中，月球-25號是唯一配置同位素核熱源的，意味著它將具備月夜生存能力，可以長久地在月球工作。同時，月球-25號也是原計劃2022年發(fā)射的一系列登月探測器中，預(yù)選著陸區(qū)緯度最高的。也就是說，它最接近月球極區(qū)，而這里正是當前各國登月探測項目都十分感興趣的地方，有很高的科學(xué)價值。當然，月球極區(qū)的著陸難度也不小。

月球-25號由著名的“拉沃契金設(shè)計局”抓總研制，發(fā)射質(zhì)量1.75噸，此規(guī)模雖然不及嫦娥三號、四號，但也已經(jīng)超越了前文所述的各型登月探測器。該探測器計劃由聯(lián)盟2.1b 火箭+ 微風(fēng)M 上面級在東方航天發(fā)射場發(fā)射。

選擇的主著陸區(qū)是月球正面的博古斯拉夫斯基隕石坑，備選著陸區(qū)是曼齊尼隕石坑，備選著陸區(qū)的緯度相比主著陸區(qū)更低，難度稍小一些。雖然主著陸區(qū)靠近月球南極極區(qū)，但那里還不是嚴格意義上的月球極區(qū)。制約月球-25號向更高緯度挺近的原因是沒有中繼衛(wèi)星，如果進入月球極區(qū)，那么探測器在多數(shù)情況下將面臨無法與地球通信的問題。

探測器配置有2臺588牛下降發(fā)動機，以及4700牛的軌跡校正與近月制動發(fā)動機，姿控發(fā)動機有5.8牛、49牛兩個型號。月球-25號主發(fā)動機無法兼容近月制動與月面軟著陸任務(wù)，與之相比，9年前嫦娥三號應(yīng)用的7500牛變推力發(fā)動機則是從近月制動到著陸月面打滿全場。

月船3號（印度）

由于印度沒有布局全球的深空測控通信系統(tǒng)， 所以對外部的依賴性要高得多。就在2022年上半年，印度空間研究組織與NASA 簽署了一項測控保障協(xié)議，以使用后者的深空網(wǎng)絡(luò)（DeepSpace Network，簡寫為DSN，NASA 建立的用以支持星際任務(wù)、無線電通信，同時觀察探測太陽系和宇宙的國際天線網(wǎng)絡(luò)） 來支持月船3號的通信，同時，歐洲航天局的深空測控網(wǎng)絡(luò)將作為備份。

月船3號著陸器與3年前登月失敗的月船2號著陸器一樣，都屬于月面短期任務(wù)，沒有月夜生存能力，當太陽落山之后，不論是著陸器還是月球車，都將停止工作。

綜上所述，2022年計劃登月的6家探測器有4家明確宣布推遲，有1家因火箭問題推遲，只有1家如期在年內(nèi)實施發(fā)射任務(wù)。除此之外，NASA的“月表商業(yè)有效載荷交付服務(wù)”的旗艦級項目“毒蛇號”月球車由于格里芬著陸器測試工作尚不完善，NASA要求該著陸器追加測試，因此發(fā)射日期將從2023年推遲至2024年年底。

嫦娥三號終結(jié)人類無人探測器盲降月球歷史

航天界常說，運載火箭運力有多大，航天舞臺就有多大，這句話在某種特定環(huán)境中是適用的，但也有例外。

比如上文列舉的這些登月探測器所屬國家，大部分都有合適的火箭，這些火箭可以提供足夠的運力執(zhí)行相關(guān)月球軌道發(fā)射任務(wù)，比如日本H-2B 火箭的地月轉(zhuǎn)移軌道運力不低于4噸，超過了用于嫦娥三號、嫦娥四號發(fā)射的長征三號乙火箭（3.4～3.7 8噸）。

然而現(xiàn)實并不是這樣簡單，深空探測是大系統(tǒng)工程，尤其是針對月球這樣一顆地外天體的深入探測，大系統(tǒng)屬性更為明顯。中國的嫦娥探月工程為人類月球探測提供了珍貴的樣本和范例。

嫦娥探月工程立項伊始，我們在深空探測領(lǐng)域可謂是一片空白，甚至連覆蓋月球軌道的測控能力都還沒有具備，大火箭更是還在路上。就是在這樣的條件之下，我們?nèi)匀淮_立了“繞、落、回”三步走發(fā)展戰(zhàn)略，并定下了完成一系列探測目標的時間節(jié)點——2020年。

嫦娥一號任務(wù)時期，我們通過全國大口徑測控天線以及天文觀測網(wǎng)的VLBI（甚長基線干涉測量技術(shù)，very long baselineinterferometry，簡寫為VLBI，把幾個小口徑望遠鏡聯(lián)合起來，以達到一架大口徑望遠鏡的觀測效果）組陣，實現(xiàn)了月球軌道測控覆蓋能力。嫦娥二號作為探月二期先導(dǎo)星，進一步驗證了地月轉(zhuǎn)移軌道直接入軌技術(shù)，同時通過降低環(huán)月軌道高度，為嫦娥三號拍攝預(yù)選著陸區(qū)高分辨率影像，還驗證了嫦娥五號任務(wù)的相關(guān)技術(shù)。

嫦娥三號完成月球軟著陸與月面巡視工程目標后，備份星轉(zhuǎn)正為嫦娥四號，又實現(xiàn)了人類首次月球背面的軟著陸與巡視探測。嫦娥五號T1試驗器是嫦娥五號先導(dǎo)星，驗證了月地再入返回關(guān)鍵技術(shù)，最后又在長征五號大火箭運力加持下，如期實現(xiàn)了嫦娥五號的月球采樣返回任務(wù)。嫦娥五號月球軌道無人交會對接技術(shù)的實現(xiàn)，至今仍是人類地外天體探測的一個天花板。

工程頂層框架有科學(xué)統(tǒng)籌，各任務(wù)之間環(huán)環(huán)相扣，不將已知問題帶上天的嚴慎細實的作風(fēng)，進一步提高了任務(wù)成功率；同時關(guān)鍵技術(shù)不斷突破，貨架式技術(shù)和產(chǎn)品日益豐富，在研制過程中充分發(fā)揮融合戰(zhàn)略的威力，盡可能調(diào)動各類資源服務(wù)總目標，我們的深空探測能力就是這樣一天天壯大了起來。

在這一基礎(chǔ)上，想做什么事，都更能得心應(yīng)手。比如充分繼承探月工程技術(shù)，一步實現(xiàn)火星“繞、著、巡”任務(wù)的天問一號探測器。接下來，我們還會實施天問二號小行星采樣返回+ 主帶彗星環(huán)繞任務(wù)、天問三號火星采樣返回任務(wù)，未來還將實施額外的小行星撞擊任務(wù)。

月球表面到達能力是月球探測的一項核心能力

不論月球探測風(fēng)云如何變幻，我們已經(jīng)通過嫦娥探月工程下了一步先手棋，成為人類在21世紀的探月先鋒力量。

針對各國加緊探月步伐的新事態(tài)，嫦娥探月工程四期也已經(jīng)做好了準備。月球表面到達能力是月球探測的一項核心能力，承載這一能力的關(guān)鍵裝備，就是著陸器。一款好的月球著陸器需要解決3個問題：

一是高可靠、高安全。如今，我們已經(jīng)實現(xiàn)了嫦娥三號、四號、五號共3次登月任務(wù)的三戰(zhàn)三捷，該系列著陸器的可靠性已經(jīng)得到了實際任務(wù)驗證。尤其是嫦娥四號著陸器登陸月球背面具有復(fù)雜地形條件的馮·卡門撞擊坑，驗證了全月面到達能力。如今，我們已具備根據(jù)探測需求任意選擇月球著陸區(qū)的到達能力。

3次登月次次成功的關(guān)鍵技術(shù)有兩個：一個是以微波測距測速敏感器、激光測距測速敏感器、激光三維成像敏感器為支撐的，基于機器視覺理念的登月控制方案的成功應(yīng)用；第二個是7500牛變推力發(fā)動機的成功研制與應(yīng)用。

可以看到，本文列舉的多款他國月球著陸器都將沿著我們的這條技術(shù)路線，解決登月安全性問題；也可以看到，那些著陸器配置的月球著陸用下降發(fā)動機的推力，皆沒有超越我們的7500牛變推力發(fā)動機。

二是定點著陸問題。月球表面定點著陸是開展月球大規(guī)模探測，乃至開發(fā)活動所必須攻克的關(guān)鍵技術(shù)，它可以讓多個探測器在月球表面會師，進而形成月球基地。

人類目前尚無實施月球表面定點著陸的案例，獲得這項關(guān)鍵能力，主要有兩個技術(shù)途徑：一個是基于地形相對導(dǎo)航技術(shù)（本文已有詳細說明），再就是通過無線電信標導(dǎo)航。嫦娥系列著陸器目前解決的是登月安全性問題，也就是說，著陸器可以解決登月末段的障礙物識別與機動，并自主選擇安全著陸點，但還沒有解決指定地點著陸的問題。

這并不代表嫦娥系列著陸器不能具備此項技術(shù)能力。早在嫦娥四號任務(wù)遴選探測目標時，就有專家建議，我們可以去嫦娥三號著陸點，展示我們的定點著陸能力。最終，結(jié)合項目經(jīng)費、任務(wù)價值最大化等方面的綜合考慮，沒有選擇這一目標，而是選擇了月球背面。定點落月任務(wù)于是就安排給了嫦娥七號。也就是說，此項技術(shù)對我們而言，不是什么不可逾越的高峰，而是事有輕重緩急的選擇。

三是大承載。著陸器需要具備較大規(guī)模的月面著陸能力，以支持大量有效載荷的運輸，以及載人月球探測。本文列舉的他國著陸器，著陸月面的探測器噸位都是幾百公斤，沒有超出1噸。目前，嫦娥系列著陸器的月球著陸能力是略微超出1噸。

我們將在嫦娥八號任務(wù)中驗證大承載月面著陸技術(shù)。屆時，長征五號的8噸級地月轉(zhuǎn)移軌道運力將全面聚焦月球著陸能力建設(shè)，嫦娥八號探測器預(yù)計將不會攜帶軌道器，著陸器規(guī)模將大幅度超越現(xiàn)有的嫦娥系列著陸器，可以通過7500牛變推力發(fā)動機的多發(fā)并聯(lián)技術(shù)，實現(xiàn)月球表面的大承載降落。從這里又可以看到，這款誕生于十幾年前的發(fā)動機謀劃之長遠。在不遠的將來，它還將用于支持載人登月任務(wù)。

基于雄厚的技術(shù)能力積累，嫦娥探月工程已經(jīng)呈現(xiàn)出了人機協(xié)同探月的工程圖景。探月四期將通過嫦娥六號、七號、八號3次任務(wù)，建成國際月球科研站基本型。與此同時，新一代載人飛船、新一代載人運載火箭、新型載人登月模塊的研發(fā)，將使我們掌握載人登月能力。這些任務(wù)還將伴隨一大批創(chuàng)新型月面探測設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用，比如嫦娥七號的飛躍探測器，多款月面高機動運輸裝備、全天時覆蓋月球極區(qū)的中繼通信能力等。

只要把穩(wěn)目標，長期發(fā)展，我們就必定會在可持續(xù)發(fā)展的道路上，實現(xiàn)引領(lǐng)人類月球探測，乃至深空探測的目標。

本文內(nèi)容來自百家號“宇宙探索領(lǐng)航員”