2019年了，登陸月球還是件難事嗎？_風聞

原創：牧夫天文

作者：王婧彧

校對：王茸 徐釩

美編：崔鬱

後台：庫特莉亞夫卡 李子琦

藝術示意圖：印度登陸器Vikram接近月表

Credit:ISRO

不久前，人類剛剛慶祝了登月五十週年，我們反覆回味着“鷹”落月的那驚心動魄的幾十秒，反覆聆聽那句著名的“個人的一小步，人類的一大步”，當阿姆斯特朗的腳印清晰地出現在月球表面時，我們知道人類終於實現了一直以來的夢想。更久之前，嫦娥四號成功登陸月背，人們在激動的同時，難免會認為人類已經征服了月球，去趟月球並非是件不可實現之事。

然而，月球之旅仍然充滿危險。

就在9月7日，印度太空研究組織(ISRO, Indian Space Research Organisation)的 “月船2號”Vikram月球着陸器在一次試降中失聯。今年年初，以色列非營利組織SpaceIL發射的Beresheet月球着陸器在降落過程中主發動機因為未知原因而關閉，導致它在月面撞毀。這一切其實只是人類探索月球的部分縮影。

儘管人類已經登上了月球並且多次實現了月球着陸器的軟着陸，但這仍是一個不小的挑戰。縱觀人類探索月球的歷史，自從1959年蘇聯的月球

2號首次實現人造飛行器着陸月球以來，人類進行了多次飛行器硬着陸和軟着陸嘗試，當然還包括阿波羅的六次載人登月任務。在這些任務中，接近一半都以失敗告終。也許登月確實要比登上火星容易些，但是它並沒有我們想象的那麼簡單。

歷次月球任務（未包括印度的月船2號）

Credit: https://time.com/5629033/every-mission-moon-chart/

WHY

原因何在？

登月是一項浩大的工程，任何一個小環節出錯都會導致整個任務失敗。首先，讓我們看看理想狀態下飛行器是如何抵達月球的。

到達月球的理想步驟

NO.1

選擇合適的發射時間範圍，也就是發射窗口：在選擇發射窗口時要考慮着陸點位置以及光照情況，從而使飛行器能夠按計劃着陸並進行工作；

NO.2

點火發射；

NO.3

抵達地球停泊軌道：飛行器在這個軌道上運行以等待轉移到月球軌道的時機；

NO.4

主發動機點火，進入地月轉移軌道：在這一階段飛行器不斷加速、脱離地球引力、飛向月球，直到被月球引力捕獲、近月制動；

NO.5

進入月球軌道：通過減速，飛行器被月球引力捕獲，環繞月球飛行；

NO.6

環月降軌，着陸。

首先是要抵達月球軌道。從地球停泊軌道到達到月球軌道可以有很多種方式。阿波羅計劃使用的土星五號運載火箭由於攜帶了充足的推進劑，只用了三天就進入了月球軌道，而ISRO的月船2號為了節省燃料，繞地運行接近一個月後才抵達月球。而2011年發射的GRAIL(重力回溯及內部結構實驗室,Gravity Recovery and Interior Laboratory)採用了低能耗轉移軌道，經過了日地L1拉格朗日點，耗時三個月才到達月球。

Apollo 11號軌道示意圖

Credit: https://www.vox.com/videos/2018/10/23/18013602/moon-landing-apollo-11-saturn-earth-annotated

ISRO月船2號軌道模擬

Credit:Wikipedia

GRAIL-A(重力回溯及內部結構實驗室,Gravity Recovery and Interior Laboratory)軌道模擬

Credit:Wikipedia

接下來主要看看降落階段。進入月球軌道後，飛行器要尋找合適的時機着陸。着陸主要分為兩種方式：硬着陸和軟着陸。顧名思義，硬着陸就是直接撞向月球，我們能留下唯一的痕跡就是一個小小的坑和報廢的着陸器。所以，我們主要關注軟着陸。在這個階段，飛行器需要初步制動、軌道修正、降軌、懸停、障礙規避以及緩慢降落。地球上的控制中心在初步制動、軌道修正、降軌三個階段可以進行控制，而最後三步：懸停、障礙規避以及緩慢降落將由着陸器自動控制，此時地球上的人們只能進行監測卻無法干預。因此，只有保持通訊的暢通，我們才能知道飛行器的狀態。想象一下，當着陸器以接近導彈的速度衝向月球時通訊中斷了是一件多麼讓人提心吊膽的事呀。而ISRO月船2號就是在着陸器距離月表只有2千米時通訊中斷了。

嫦娥三號及嫦娥四號動力下降過程示意圖

Credit: 李飛等，月球背面地形對軟着陸探測的影響分析

早期的着陸器並不具備避障的能力，只能藉助前期的風險排查以及增加保護措施來提高安全係數，因此降落的成功率較低。2008年, 鳳凰號探測器(Phoenix)成功實現了火星軟着陸, 它採用了事先篩選高概率安全着陸區的方式來避免大障礙。好奇號(Curiosity)也採用了同樣的方式避免大障礙,並利用新型“空中吊車”的動力下降方式來降低火星車降落火星時的速度, 但也不具備自主避障能力。NEAR 探測器(會合-舒梅克號,Near Earth Asteroid Rendezvous - Shoemaker)首次實現了小行星着陸任務, 但由於着陸任務是探測任務完成後新增加的,所以探測器最初也沒有設計避障功能。隼鳥號探測器(Hayabusa)在最終下降過程中檢測到了障礙, 但由於姿控誤差較大等原因, 探測器未能實現避障就繼續向小行星表面下降了。嫦娥三號實現了世界上首次成功利用機器視覺進行地外天體軟着陸自主避障。因此，NASA正與航天公司合作，計劃發射能夠自動駕駛着陸器的機器人。

以上只是登月過程中最可能出現問題的兩個環節，實際上，問題可能從我們意想不到的地方冒出來，讓人防不勝防。但是，轉念一想，人類畢竟是已經登上過月球了，那是不是從反面論證了我們很厲害，很有潛力呢？

對於人類來説，到達任何一個地外天體都遠非易事，失敗只能讓我們更加接近成功。在一次次的嘗試中，我們的技術將變得更加成熟，我們的目光將看向更廣闊的遠方。認識自我，才能突破自我，心懷夢想的同時也要腳踏實地。讓我們期待着印度下一次的成功，也期待着人類踏上更遙遠的星球。

參考文獻

1.https://www.space.com/why-is-it-so-hard-to-land-on-moon.html#expanding-articles

2.https://en.wikipedia.org/wiki/Moon_landing#U.S._uncrewed_soft_landings_(1966–1968)

3.https://www.wikihow.com/Go-to-the-Moon

『天文時刻』 牧夫出品

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月球大頭照以及後方的土星

影像來源: Peter Patonai (Astroscape Photography)