航天器落月難題如何化解

□ 張晨

近期，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(diào)查結(jié)果，引發(fā)外界關(guān)注。

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

“月球 25 號”是近 5 年來第五個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(shù)領(lǐng)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并非很簡單的任務(wù)。

航天器發(fā)射、進入繞月軌道是探月任務(wù)的“基本功”，而在本世紀 5 次落月失敗任務(wù)中，有動力下降階段是大部分探測器的“高?！睍r刻，堪稱落月任務(wù)的核心難點。想要解決這個難題，關(guān)鍵不是盲目地追求先進的大范圍可調(diào)節(jié)變推力發(fā)動機，增大系統(tǒng)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(xiàn)實中，動力系統(tǒng)出現(xiàn)的小問題常常被后兩點不足之處“無限放大”，導致任務(wù)失利。

這樣看來，解決著陸月面難題的核心辦法是，認清本國技術(shù)基礎(chǔ)，選擇適當方案，對各分系統(tǒng)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陸的工程經(jīng)驗，理應(yīng)添加足夠的冗余設(shè)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(shè)計和生產(chǎn)時把關(guān)不嚴，對易產(chǎn)生單點故障的位置缺乏足夠的故障分析和隔離研究，心態(tài)問題又造成軟件測試不嚴謹，導致故障無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(xiàn)。在探測器有動力下降階段早期，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。由于月球基本上沒有大氣，整個有動力下降段非常依賴探測器動力系統(tǒng)，對飛控的要求較高，容錯率較低。尤其是探測器即將著陸月面之際，發(fā)動機噴出的高溫高速氣流會吹起月塵，很可能遮蔽對地測量儀器，造成較大的數(shù)據(jù)異常波動。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(jiān)測到特殊地理特征時，可能產(chǎn)生大范圍數(shù)據(jù)波動，有必要做好數(shù)據(jù)分析和處理工作。

新一輪國際探月大潮將月球南極區(qū)域作為重點目標，神秘的月球背面也吸引著科學家的目光。當探測器著陸月球背面或南極區(qū)域時，由于涉及信號遮擋問題，探測器必須保持對中繼星的信號追蹤。此外，月球南極區(qū)域地形復雜，適合著陸的面積較小，這就要求探測器能夠更加出色地處理地形數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高精度著陸，還要做好應(yīng)急著陸未知地區(qū)的預案。

目前，為了進一步提升月面著陸精度，科研人員主要嘗試了兩種手段，第一種是應(yīng)用圖像匹配技術(shù)，第二種手段是盡快建設(shè)月球?qū)Ш叫亲?。未來，月球?qū)Ш叫亲型蠓鶞p少航天器落月任務(wù)對測量儀器的需求，提高可靠性，并增加有效載荷。當前，這兩種手段已在各國探月任務(wù)中初步驗證，有望在未來數(shù)年內(nèi)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(fā)不斷深入。