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查結果，引發外界關注。

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并非很簡單的任務。

航天器發射、進入繞月軌道是探月任務的“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。想要解決這個難題，關鍵不是盲目地追求先進的大范圍可調節變推力發動機，增大系統風險，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，動力系統出現的小問題常常被后兩點不足之處“無限放大”，導致任務失利。

這樣看來，解決著陸月面難題的核心辦法是，認清本國技術基礎，選擇適當方案，對各分系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上著陸的工程經驗，理應添加足夠的冗余設計，卻限于經費、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，冗余不足。還有一些探月團隊在航天器設計和生產時把關不嚴，對易產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謹，導致故障無法在航天器地面測試中充分暴露。

于是，在環境更加嚴酷的地月空間中，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，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，造成較大的數據異常波動。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，以防落月任務功虧一簣。

另外，月球表面地形復雜多變，儀器監測到特殊地理特征時，可能產生大范圍數據波動，有必要做好數據分析和處理工作。

新一輪國際探月大潮將月球南極區域作為重點目標，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據，實現高精度著陸，還要做好應急著陸未知地區的預案。

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，第一種是應用圖像匹配技術，第二種手段是盡快建設月球導航星座。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中初步驗證，有望在未來數年內逐步實用化。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。