自去年下半年起，地球“訪客”密集前往月球，印度、俄羅斯、日本、美國(guó)接連發(fā)射月球探測(cè)器，但順利著陸者寥寥，直到今年2月23日，奧德修斯月球著陸器才讓美國(guó)時(shí)隔50年再次登月。2月24日，中國(guó)載人月球探測(cè)任務(wù)新飛行器名稱正式公布，月面著陸器被命名為“攬?jiān)?rdquo;，載人登月進(jìn)入倒計(jì)時(shí)。

今天，我們就來(lái)說(shuō)說(shuō)月球著陸的科技難點(diǎn)，以及目前開(kāi)展的月球探索能為未來(lái)的宇宙探索貢獻(xiàn)哪些科學(xué)啟示。

1 探測(cè)器抵達(dá)月球要過(guò)四關(guān)

火箭之父、蘇聯(lián)科學(xué)家齊奧爾科夫斯基曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠(yuǎn)被束縛在搖籃里。”人類邁出地球搖籃，走向宇宙的第一站就是月球——月球是地球唯一的天然衛(wèi)星，也是距離地球最近的自然天體。從地球到月球的距離，雖然在宇宙空間尺度中來(lái)看連一步之遙都談不上，卻是人類付出極大努力才有可能跨越的萬(wàn)仞之山，在此過(guò)程中還需克服諸多科學(xué)技術(shù)難題。

第一個(gè)難關(guān)是進(jìn)入軌道。這需要擁有強(qiáng)有力的運(yùn)載火箭將月球探測(cè)器送入合適的軌道，如果火箭能力不夠強(qiáng)，入軌遠(yuǎn)地點(diǎn)高度無(wú)法達(dá)到約38萬(wàn)公里地月距離，那么就需要探測(cè)器自己變軌，逐漸抬高遠(yuǎn)地點(diǎn)來(lái)逼近月球，如此一來(lái)燃料和時(shí)間都會(huì)消耗得更多。而如果火箭能力較強(qiáng)，將探測(cè)器直接送到地月轉(zhuǎn)移軌道，那么探測(cè)器就省勁多了。

第二個(gè)難關(guān)是奔向月球。要想探索月球，首先要能順利到達(dá)月球，地月之間的天路是必須經(jīng)過(guò)的一關(guān)。美國(guó)前9次月球探測(cè)任務(wù)中，只有第5次飛掠任務(wù)取得了部分成功，其余8次環(huán)繞和飛掠任務(wù)都失敗了。蘇聯(lián)的起步方式有所不同，試圖先撞擊月球，但直到第6次才成功撞月。在奔月途中，探測(cè)器的初始入軌誤差會(huì)不斷累積，使得實(shí)際飛行軌道逐漸偏離設(shè)計(jì)軌道，因此需要每隔一段時(shí)間進(jìn)行一次軌道機(jī)動(dòng)，就像開(kāi)車的時(shí)候稍稍打一點(diǎn)方向盤來(lái)調(diào)整方向一樣，消除軌道偏差才能確保探測(cè)器始終飛行在正確的軌道上。

第三個(gè)難關(guān)是環(huán)繞月球。探測(cè)器到達(dá)近月點(diǎn)后，需要“剎車”，也就是近月制動(dòng)，把探測(cè)器速度從約2.5km/s降到1.7km/s，降速達(dá)到0.8km/s以上。“剎車”的力度需拿捏得剛剛好，剎猛了探測(cè)器會(huì)一頭撞向月球，剎不夠又無(wú)法被月球捕獲，會(huì)離月球越來(lái)越遠(yuǎn)。

第四個(gè)難關(guān)就是近來(lái)備受關(guān)注的月面降落。月球上沒(méi)有空氣，不能用降落傘，探測(cè)器只能采用發(fā)動(dòng)機(jī)反噴減速的方式下降。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的反噴工作，燃料不斷消耗，探測(cè)器越來(lái)越輕，反噴推力也相應(yīng)減小。反推力與重力的動(dòng)態(tài)適應(yīng)匹配是軟著陸的關(guān)鍵，反推力大了落不下去，反推力小了則降得太快；反推力變化慢了減速不及時(shí)，反推力變化快了又會(huì)給探測(cè)器姿態(tài)帶來(lái)突然干擾，可謂稍有不慎就會(huì)粉身碎骨。同時(shí)，還需要解決降落避障問(wèn)題，避免落在石頭上或坑里影響著陸安全。

除此之外，著陸月球表面的探測(cè)器必須針對(duì)大溫差、低重力、月塵、宇宙輻射等特殊環(huán)境進(jìn)行專門的防護(hù)設(shè)計(jì)，才能正常工作。

2 為何抵月“臨門一腳”易落空

探索月球的第一個(gè)熱潮出現(xiàn)在上世紀(jì)六七十年代，美蘇兩國(guó)進(jìn)行太空競(jìng)賽，完成了數(shù)十次月球軟著陸探測(cè)。隨著2014年初我國(guó)嫦娥三號(hào)探測(cè)器成功著陸月球雨海北部，月球軟著陸探測(cè)的第二輪熱潮拉開(kāi)序幕，特別是去年下半年以來(lái)，印度、俄羅斯、日本、美國(guó)的多個(gè)探測(cè)器紛紛嘗試著陸月球，引起了全世界對(duì)于月球探索的高度關(guān)注。

2023年7月14日，經(jīng)歷兩次推遲后，印度月船三號(hào)探測(cè)器（Chandrayaan-3）成功發(fā)射，后于8月23日成功著陸在月球表面。這標(biāo)志著印度成為世界上第四個(gè)成功著陸月球的國(guó)家。

2023年8月11日，俄羅斯的月球-25號(hào)（Luna 25）探測(cè)器發(fā)射升空，計(jì)劃在月球南極著陸，后墜毀于月面。調(diào)查顯示，近月制動(dòng)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火應(yīng)運(yùn)行84秒，實(shí)際卻運(yùn)行了127秒，加速度計(jì)未能在探測(cè)器達(dá)到預(yù)定速度時(shí)發(fā)出信號(hào)及時(shí)關(guān)閉推進(jìn)系統(tǒng)，導(dǎo)致失敗。

2023年9月7日，日本的月球探測(cè)器SLIM 發(fā)射升空。后在月面降落過(guò)程中，探測(cè)器的一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失去推力，導(dǎo)致它以發(fā)動(dòng)機(jī)朝上的“倒栽蔥”姿態(tài)著陸。

2024年1月8日，美國(guó)航天機(jī)器人技術(shù)公司開(kāi)發(fā)的游隼月球著陸器發(fā)射升空后，因推進(jìn)系統(tǒng)故障、推進(jìn)劑泄露，最終重返地球大氣層燒毀。

2024年2月15日，美國(guó)直覺(jué)機(jī)器公司的奧德修斯月球著陸器成功發(fā)射，進(jìn)入環(huán)月軌道后發(fā)現(xiàn)激光測(cè)距系統(tǒng)無(wú)法正常工作，于是調(diào)用激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)載荷用于著陸數(shù)據(jù)支持，2月22日探測(cè)器著陸月球表面時(shí)發(fā)生了側(cè)翻。

縱觀第二輪月球軟著陸探測(cè)熱潮，全世界一共實(shí)施了11次月球軟著陸任務(wù)，成功率卻僅僅略超50%。月球著陸器狀況頻出，或指令優(yōu)先級(jí)處理邏輯存在問(wèn)題，或發(fā)動(dòng)機(jī)噴管燒穿掉落，或推進(jìn)劑發(fā)生泄漏，或激光測(cè)距儀安全開(kāi)關(guān)忘記在發(fā)射前解鎖等。目前只有我國(guó)的嫦娥三號(hào)、四號(hào)、五號(hào)和印度的月船三號(hào)任務(wù)取得了完全意義上的成功。由此可以看出，盡管半個(gè)世紀(jì)前人類就已實(shí)現(xiàn)載人登月，但時(shí)至今日，月球軟著陸仍然是高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)。

各國(guó)航天器抵達(dá)月面所面臨的最大技術(shù)障礙就是反推發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和著陸導(dǎo)航技術(shù)。

從反推發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)來(lái)看，只有中國(guó)和美國(guó)直覺(jué)機(jī)器公司研制出了推力可大范圍調(diào)節(jié)的變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，利用發(fā)動(dòng)機(jī)推力的受控變化來(lái)平衡不斷變動(dòng)的探測(cè)器重力。而其他探測(cè)器大多采用多臺(tái)固定推力或可小范圍調(diào)節(jié)推力的發(fā)動(dòng)機(jī)組合，通過(guò)脈沖控制或切換組合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)重力抵消，這種反推力的突變?nèi)菀讓?duì)探測(cè)器姿態(tài)造成干擾。

從著陸導(dǎo)航技術(shù)來(lái)看，新近研制的印度月船三號(hào)與日本SLIM 著陸器都應(yīng)用了基于圖像匹配技術(shù)的地形相對(duì)導(dǎo)航技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了較高精度著陸。其中，印度月船三號(hào)的著陸位置偏差約360米，日本SLIM的著陸位置偏差約55米，為目前世界上最高的著陸精度。我國(guó)之前的嫦娥系列探測(cè)器采用的是微波/激光測(cè)距測(cè)速和機(jī)器視覺(jué)避障技術(shù)，具有很高的可靠性，后續(xù)嫦娥七號(hào)和八號(hào)探測(cè)器根據(jù)任務(wù)需求將實(shí)現(xiàn)更高精度的著陸。

所以，要想成功實(shí)現(xiàn)月球軟著陸，不但要突破相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，還要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高可靠性，兩者缺一不可，否則就會(huì)跌跌撞撞、出師不捷。

3 著陸南極緣何最受關(guān)注

迄今為止，月球著陸探測(cè)任務(wù)的著陸區(qū)主要集中于三大區(qū)域：月球正面、月球背面、月球南極。

月球正面總是朝向地球，對(duì)地通信條件好，具備大面積的月海，地勢(shì)較為低洼平坦，工程實(shí)現(xiàn)難度相對(duì)較低，因此，世界各國(guó)的首次月球著陸任務(wù)通常都將著陸點(diǎn)選擇在月球正面中低維度區(qū)域。我國(guó)載人月球探測(cè)任務(wù)就計(jì)劃在2030年前登陸月球正面，實(shí)現(xiàn)中國(guó)人的登月夢(mèng)想。

月球背面總是背對(duì)地球，能夠屏蔽地球上人類活動(dòng)造成的無(wú)線電干擾、閃電和極光帶來(lái)的無(wú)線電發(fā)射，因此被認(rèn)為是開(kāi)展低頻射電天文學(xué)觀測(cè)的絕佳地點(diǎn)。利用月球背面獨(dú)特的無(wú)線電環(huán)境進(jìn)行天文觀測(cè)，可填補(bǔ)100kHz-1MHz頻段的空白，有望獲得宇宙“黑暗時(shí)代”方面的新認(rèn)知。主體位于月球背面的南極-艾特肯盆地，不僅是月球上最大最古老的盆地，也是太陽(yáng)系中最大的盆地，直徑約2500公里，最深處達(dá)12公里，是第一批留下記錄的撞擊構(gòu)造，其噴發(fā)出的月球深層物質(zhì)是其他區(qū)域所不具備的，所以被認(rèn)為是研究月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化進(jìn)程的窗口。此外，月球背面還保存著最古老的月殼巖石，其斜長(zhǎng)巖高地可能形成于月球巖漿洋的分異結(jié)晶，這是月球形成的兩大學(xué)說(shuō)之一，對(duì)其探測(cè)有望獲取月球早期演化歷史的新認(rèn)識(shí)。我國(guó)嫦娥四號(hào)探測(cè)器于2019年實(shí)現(xiàn)了人類首次月球背面軟著陸和巡視探測(cè)，嫦娥六號(hào)探測(cè)器也將于今年上半年完成月球背面采樣返回任務(wù)。

月球南極存在許多終年不見(jiàn)陽(yáng)光的撞擊坑——永久陰影坑，其中可能含有儲(chǔ)量豐富的水冰。我國(guó)將于2026年前后實(shí)施的嫦娥七號(hào)任務(wù)的重要科學(xué)目標(biāo)，就是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)證認(rèn)月球南極區(qū)域水冰的存在。如果在月球南極直接發(fā)現(xiàn)大量水，將為人類在月球上的長(zhǎng)期駐留、更深遠(yuǎn)空間探測(cè)的燃料補(bǔ)給，以及月球其它資源的開(kāi)發(fā)利用提供物質(zhì)保障。此外，月球南極還存在一些具有長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)光照的特殊地點(diǎn)——永晝峰，這些地點(diǎn)光照時(shí)間年占比最大可達(dá)80%，探測(cè)器通過(guò)小范圍移動(dòng)甚至可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷工作，為長(zhǎng)期開(kāi)展科學(xué)探測(cè)提供非常有利的條件。

鑒于潛在的水冰資源和特殊環(huán)境，月球南極是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期科研和資源開(kāi)發(fā)的理想場(chǎng)所。為此，美國(guó)啟動(dòng)了規(guī)模宏大的阿爾忒彌斯計(jì)劃，聯(lián)合30多個(gè)國(guó)家擬在月球南極建立大本營(yíng)，把宇航員送上月球并建立常態(tài)化駐留機(jī)制，為未來(lái)的火星載人登陸任務(wù)鋪路。中國(guó)則提出了國(guó)際月球科研站大科學(xué)工程計(jì)劃，聯(lián)合多國(guó)擬在月球南極構(gòu)建國(guó)際月球科研站，通過(guò)長(zhǎng)期無(wú)人自主、短期有人參與的形式，開(kāi)展月球資源利用和月基建造等任務(wù)活動(dòng)。

目前，我國(guó)正在實(shí)施的探月四期嫦娥七號(hào)任務(wù)，擬對(duì)月球南極永久陰影區(qū)內(nèi)的月壤水冰和揮發(fā)份的賦存狀態(tài)實(shí)施采樣詳查；嫦娥八號(hào)任務(wù)是著陸于月球南極地區(qū)，構(gòu)建月球科研站中樞，并首次開(kāi)展月壤資源原位利用新技術(shù)驗(yàn)證。通過(guò)嫦娥七號(hào)和八號(hào)任務(wù)的實(shí)施，構(gòu)建月球科研站的基本型，將為后續(xù)國(guó)際月球科研站的規(guī)?；瘶?gòu)建與高效益運(yùn)營(yíng)奠定基礎(chǔ)。

4 月球駐留的時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨

月球是宇宙海洋中離開(kāi)地球這個(gè)陸地后的第一個(gè)島嶼，地月距離只有38萬(wàn)公里，是地球與火星距離的百分之一至千分之一。在人類當(dāng)前掌握的科學(xué)技術(shù)下，利用火星仍然是遙遠(yuǎn)的展望，月球才是當(dāng)下觸手可及的現(xiàn)實(shí)，它不僅是理想的科研基地，也是資源開(kāi)發(fā)利用的寶庫(kù)，更是去往更遠(yuǎn)深空的跳板和前哨站。

因此，如今世界各國(guó)又開(kāi)始重新審視月球，將其當(dāng)作新的戰(zhàn)略空間開(kāi)展探測(cè)任務(wù)。美國(guó)、中國(guó)與歐洲的一些航天大國(guó)紛紛提出了在月球上構(gòu)建月球科研站或月球基地的建設(shè)規(guī)劃，這標(biāo)志著人類月球探測(cè)活動(dòng)已經(jīng)從“認(rèn)識(shí)月球”轉(zhuǎn)為“認(rèn)識(shí)與利用并重”，進(jìn)入了“探、登、駐”三大步中第三步“駐”的時(shí)代。

之前的人類探月任務(wù)，無(wú)論是我國(guó)的“繞、落、回”，還是美國(guó)的阿波羅計(jì)劃、俄羅斯的Luna系列，都屬于單次探測(cè)任務(wù)模式，即每次任務(wù)設(shè)定一個(gè)目標(biāo)，配置相應(yīng)的科學(xué)載荷，任務(wù)周期相對(duì)短暫、任務(wù)之間缺少協(xié)同。而建設(shè)月球科研站這樣中等規(guī)模、試驗(yàn)型的月面設(shè)施，轉(zhuǎn)向相對(duì)集中建站、長(zhǎng)期駐留、可持續(xù)探測(cè)的模式，任務(wù)之間的協(xié)同便會(huì)大大增強(qiáng)，模塊之間的物質(zhì)、信息、能源交換急劇增多，如同把分散的點(diǎn)連接成網(wǎng)絡(luò)，必將為人類認(rèn)識(shí)月球、利用月球提供更高效率、更有效益的方法。

按照科學(xué)家的設(shè)想，未來(lái)人類還將建設(shè)月球基地。月球基地可以長(zhǎng)期自主運(yùn)行，具有超強(qiáng)大腦的中樞機(jī)構(gòu)指揮各式各樣的機(jī)器人完成多種探測(cè)、搬運(yùn)、布設(shè)、建造任務(wù)；指揮官、工程師、科學(xué)家、探險(xiǎn)者、醫(yī)生等多種職業(yè)的人類航天員也將來(lái)到月球基地進(jìn)行短期駐留，指揮、控制機(jī)器人完成地質(zhì)調(diào)查、科學(xué)研究、大型建造等復(fù)雜任務(wù)。這樣的月球基地，包含了實(shí)驗(yàn)室、礦場(chǎng)、工廠、空港、旅館等各種實(shí)用型月面設(shè)施，所獲取的知識(shí)和物產(chǎn)都將服務(wù)于人類文明的延續(xù)和拓展。

通過(guò)全世界航天科技工作者的創(chuàng)新和實(shí)干，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)這些夢(mèng)想會(huì)逐一變成現(xiàn)實(shí)，會(huì)有更多的地球人成為見(jiàn)證歷史的月球訪客。

（作者為國(guó)家航天局探月與航天工程中心研究員、探月與航天工程中心工程師）