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探測器落月,為什麼還這麼難?
送交者: 三把刀 2025年10月03日11:38:42 於 [軍事天地] 發送悄悄話

50多年前,人類成功登上月球,但進入新世紀以來,人類月球探測器着陸任務有超半數遭遇失敗。探測器落月為什麼這麼難?

1969年人類就登上了月球,並且在隨後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着陸月球北部虹灣,其間37年沒有探測器着陸月球。2018年中國嫦娥四號探測器成功着陸月球背面,2020年“嫦娥五號”圓滿完成月球採樣任務並成功返回地球。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着陸計劃,比如印度、以色列、日本等。美國也以商業月球運輸服務(CLPS)開展了自己的月球着陸計劃。但進入新世紀以來,人類月球探測器着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,那麼相對容易的探測器着陸月球為什麼還這麼難呢?

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月球25號着陸器 未被覆蓋上隔熱材料時的樣子

1

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)共同研製的月球着陸器,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着陸任務。

“創世紀號”發射質量585千克,高1米,直徑2.3米。推進系統採用一台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製的磁力計,以及美國宇航局提供的角反射器,用於精確測量地月距離。

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“創世紀”號探測器在熱真空罐中試驗

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搭載在“創世紀號”上的激光角反射器

“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。由於探測器本身沒有主動熱控,因此只計劃在月面存活48小時並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,隨後探測器通過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。

動力下降開始於2019年4月11日。由於LEROS-2B不是一台連續變推力發動機,探測器採用一定長度脈衝組合的方式進行動力下降。探測器上慣性測量單元(IMU)出現故障並關機。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餘,損失一台慣性測量單元並不會影響月球着陸。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。

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着陸區時,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着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。

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創世紀號探測器在撞擊月表前拍下的最後一張照片

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“創世紀號”墜落產生的撞擊坑由美國月球勘測軌道器拍攝

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

2

印度“月船2號”着陸失敗

在新一輪月球着陸浪潮中,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號探測器發射升空並成功進入月球環繞軌道。由於探測器電源故障,探測器僅運行了設計壽命的一半就失去了聯繫,但印度仍然宣稱該任務成功了95%。

新的着陸探測器被稱為“月船2號”。起初印度計劃和俄羅斯合作,由俄羅斯研製着陸器,印度研製軌道器、巡視器和科學載荷。俄羅斯計劃為“月船2號”着陸器配置一台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。

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準備扣罩的“月船2號”這是印度當時最複雜的航天器

但俄羅斯研製着陸器的進度緩慢,印度空間研究組織決心獨自研發月球着陸器,而印度的科研實力不足以研發深度變推力發動機,因此着陸器改為採用由5台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範圍調節推力以實現對連續變推力曲線的近似擬合。

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“月船2號”,可以看到其3台着陸發動機

“月船2號”於2019年7月22日發射升空,2019年9月6日着陸器“維克拉姆”進行動力下降,但着陸器在着陸期間突然翻滾,最終夢碎月球。

“維克拉姆”着陸的第一階段被稱為“粗略減速階段”,着陸器依靠慣性測量單元進行盲降,4台着陸發動機全推力運行。“粗略減速階段”結束後進入“姿態維持階段”。在此階段着陸器保證姿態不變,通過微波測速測距儀和激光測距儀測量着陸器狀態,此時發動機推力在包線上緣運行,但為了維持着陸器姿態沒有進行着陸器速度修正。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,由於調姿過慢,調姿結束後着陸器水平速度過低,垂直速度過高。飛控發現着陸器無法抵達預定着陸點,飛控在無法同時滿足着陸器在當前軌跡下着陸至預定點,於是直接崩潰,隨後“維克拉姆”着陸器失去控制,以58米/秒的速度墜落於月球南極高地,位於70.8810°S、22.7840°E,美國月球勘測軌道器的圖像表明着陸器的墜落地點距離預計着陸點僅600米。

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“月船2號”墜落並爆炸的痕跡由美國月球勘測軌道器拍攝

對於月球南極複雜的地形來說,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,採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”着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恆定指向對月測量,着陸器也不能一邊測量一邊修正。

3

日本“好客號”夭折的創新

日本也曾有一個龐大的月球着陸探測計劃,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着陸探測器,比如“好客號”。該探測器於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着陸探測器,“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。

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“好客號”微型月球着陸器

“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1千克的着陸器。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,並且着陸器上還搭載了相機和輻射計用於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。

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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

由於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1千克的着陸器上也無法攜帶任何測高測速裝置,因此“好客號”着陸器在與巡航級分離後,以類似“神風特攻”的方法點燃固體火箭減速2500米/秒,然後展開氣囊進行半硬着陸。此階段完全不依靠任何測量裝置,對着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火箭末級分離後,“好客號”突然進入了高達80°/秒的自旋,並且很不幸,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,但隨着探測器沿着奔月軌道越過預計的修正點,一切都不可挽回了。

對於“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並不完備,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於0。

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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設計建造的小型着陸探測器,於2022年12月11日搭乘獵鷹9火箭發射升空,經過低能轉移軌道後抵達月球,在2023年4月25日嘗試着陸月球。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。但探測器在着陸前失去聯繫,墜落在月球表面,任務失敗。

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“白兔-R”月球着陸器

“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,隨後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,乾重340千克,配置6台200牛推力器用於軌道機動和着陸月球。該探測器採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複雜度,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。計劃目標着陸點位於47.5°N、44.4°E的阿特拉斯撞擊坑附近。

“白兔-R”早期計劃着陸地點是位於37.56°N、30.8°E的“夢之湖”地區,動力下降軌跡地形數據並未根據新的着陸點予以調整。動力下降開始後,航天器的主控計算機開始採集高度計的數據用於判定軌跡。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,下降了一段後燃料耗盡,最終墜落在月球表面47.581°N,、44.094°E的位置,摔成了四大塊。

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“白兔-R”的殘骸撒在月球上

“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,可能是由於採購的商業器件不適合長期深空飛行而導致精度過低,這是着陸失敗的直接原因。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着陸失敗——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”的着陸器完全沒有經過測試,完成總裝後直接運往發射場準備發射。對測試的忽視是導致月球着陸失敗的根本原因。

5

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中國“嫦娥工程”中均使用連續深度變推力發動機並且均獲得全勝,有一些觀點認為,着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。

固定推力脈衝或多發變推力着陸策略廣泛應用於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次採樣返回任務取得成功,而單組元脈衝變推力發動機廣泛應用於美國火星探測任務,從1976年的“海盜1號”到最新的毅力號火星巡視器,證明並非連續深度變推力發動機才能完成稀薄大氣地外天體軟着陸任務,脈衝方案也可以勝任。

但相比連續深度變推,脈衝方案需要調整脈衝長度和時間,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,並且其具備“懸停”能力,能夠更好地規避複雜月面環境,尤其是在月球南極這種複雜地形下着陸的情況。

從蘇聯“月球9號”藉助氣囊軟着陸月球,到登月艙下降發動機輕柔地將“阿波羅11號”的“鷹”號登月艙着陸在寧靜海,再到7500牛變推力發動機推動“嫦娥四號”着陸在月球背面,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,最後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着陸。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世紀的月球着陸任務,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世紀月球着陸任務的數次失敗。目前看來,以色列、日本和印度都缺乏在大引力天體着陸的工程經驗,理應添加足夠的冗餘。但由於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、冗餘不足。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。

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