2019年了，登陆月球还是件难事吗？_风闻

原创：牧夫天文

作者：王婧彧

校对：王茸 徐钒

美编：崔郁

后台：库特莉亚夫卡 李子琦

艺术示意图：印度登陆器Vikram接近月表

Credit:ISRO

不久前，人类刚刚庆祝了登月五十周年，我们反复回味着“鹰”落月的那惊心动魄的几十秒，反复聆听那句著名的“个人的一小步，人类的一大步”，当阿姆斯特朗的脚印清晰地出现在月球表面时，我们知道人类终于实现了一直以来的梦想。更久之前，嫦娥四号成功登陆月背，人们在激动的同时，难免会认为人类已经征服了月球，去趟月球并非是件不可实现之事。

然而，月球之旅仍然充满危险。

就在9月7日，印度太空研究组织(ISRO, Indian Space Research Organisation)的 “月船2号”Vikram月球着陆器在一次试降中失联。今年年初，以色列非营利组织SpaceIL发射的Beresheet月球着陆器在降落过程中主发动机因为未知原因而关闭，导致它在月面撞毁。这一切其实只是人类探索月球的部分缩影。

尽管人类已经登上了月球并且多次实现了月球着陆器的软着陆，但这仍是一个不小的挑战。纵观人类探索月球的历史，自从1959年苏联的月球

2号首次实现人造飞行器着陆月球以来，人类进行了多次飞行器硬着陆和软着陆尝试，当然还包括阿波罗的六次载人登月任务。在这些任务中，接近一半都以失败告终。也许登月确实要比登上火星容易些，但是它并没有我们想象的那么简单。

历次月球任务（未包括印度的月船2号）

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

WHY

原因何在？

登月是一项浩大的工程，任何一个小环节出错都会导致整个任务失败。首先，让我们看看理想状态下飞行器是如何抵达月球的。

到达月球的理想步骤

NO.1

选择合适的发射时间范围，也就是发射窗口：在选择发射窗口时要考虑着陆点位置以及光照情况，从而使飞行器能够按计划着陆并进行工作；

NO.2

点火发射；

NO.3

抵达地球停泊轨道：飞行器在这个轨道上运行以等待转移到月球轨道的时机；

NO.4

主发动机点火，进入地月转移轨道：在这一阶段飞行器不断加速、脱离地球引力、飞向月球，直到被月球引力捕获、近月制动；

NO.5

进入月球轨道：通过减速，飞行器被月球引力捕获，环绕月球飞行；

NO.6

环月降轨，着陆。

首先是要抵达月球轨道。从地球停泊轨道到达到月球轨道可以有很多种方式。阿波罗计划使用的土星五号运载火箭由于携带了充足的推进剂，只用了三天就进入了月球轨道，而ISRO的月船2号为了节省燃料，绕地运行接近一个月后才抵达月球。而2011年发射的GRAIL(重力回溯及内部结构实验室,Gravity Recovery and Interior Laboratory)采用了低能耗转移轨道，经过了日地L1拉格朗日点，耗时三个月才到达月球。

Apollo 11号轨道示意图

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

ISRO月船2号轨道模拟

Credit:Wikipedia

GRAIL-A(重力回溯及内部结构实验室,Gravity Recovery and Interior Laboratory)轨道模拟

Credit:Wikipedia

接下来主要看看降落阶段。进入月球轨道后，飞行器要寻找合适的时机着陆。着陆主要分为两种方式：硬着陆和软着陆。顾名思义，硬着陆就是直接撞向月球，我们能留下唯一的痕迹就是一个小小的坑和报废的着陆器。所以，我们主要关注软着陆。在这个阶段，飞行器需要初步制动、轨道修正、降轨、悬停、障碍规避以及缓慢降落。地球上的控制中心在初步制动、轨道修正、降轨三个阶段可以进行控制，而最后三步：悬停、障碍规避以及缓慢降落将由着陆器自动控制，此时地球上的人们只能进行监测却无法干预。因此，只有保持通讯的畅通，我们才能知道飞行器的状态。想象一下，当着陆器以接近导弹的速度冲向月球时通讯中断了是一件多么让人提心吊胆的事呀。而ISRO月船2号就是在着陆器距离月表只有2千米时通讯中断了。

嫦娥三号及嫦娥四号动力下降过程示意图

Credit: 李飞等，月球背面地形对软着陆探测的影响分析

早期的着陆器并不具备避障的能力，只能借助前期的风险排查以及增加保护措施来提高安全系数，因此降落的成功率较低。2008年, 凤凰号探测器(Phoenix)成功实现了火星软着陆, 它采用了事先筛选高概率安全着陆区的方式来避免大障碍。好奇号(Curiosity)也采用了同样的方式避免大障碍,并利用新型“空中吊车”的动力下降方式来降低火星车降落火星时的速度, 但也不具备自主避障能力。NEAR 探测器(会合-舒梅克号,Near Earth Asteroid Rendezvous - Shoemaker)首次实现了小行星着陆任务, 但由于着陆任务是探测任务完成后新增加的,所以探测器最初也没有设计避障功能。隼鸟号探测器(Hayabusa)在最终下降过程中检测到了障碍, 但由于姿控误差较大等原因, 探测器未能实现避障就继续向小行星表面下降了。嫦娥三号实现了世界上首次成功利用机器视觉进行地外天体软着陆自主避障。因此，NASA正与航天公司合作，计划发射能够自动驾驶着陆器的机器人。

以上只是登月过程中最可能出现问题的两个环节，实际上，问题可能从我们意想不到的地方冒出来，让人防不胜防。但是，转念一想，人类毕竟是已经登上过月球了，那是不是从反面论证了我们很厉害，很有潜力呢？

对于人类来说，到达任何一个地外天体都远非易事，失败只能让我们更加接近成功。在一次次的尝试中，我们的技术将变得更加成熟，我们的目光将看向更广阔的远方。认识自我，才能突破自我，心怀梦想的同时也要脚踏实地。让我们期待着印度下一次的成功，也期待着人类踏上更遥远的星球。

参考文献

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

『天文时刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

月球大头照以及后方的土星

影像来源: Peter Patonai (Astroscape Photography)