美國國家航空航天局阿波羅登月宇航員與先前軟著陸月面的勘測者探測器合影。
 美蘇登月競賽到目前為止的月球著陸點分佈

 首個在月球錶面軟著陸的月球9號探測器
嫦娥三號月面軟著陸示意圖
  我國月面軟著陸已經遲到了近半個世紀?
  新華網消息 據大公網報道,嫦娥三號作為嫦娥工程的第三顆探月探測器,其任務目的是在月球錶面著陸,比嫦娥一號和二號更進一步,攜帶了月球車等月面巡視裝備,登陸地點位於月球的虹灣地區,預計整個月面巡視時間為三個月左右,探測範圍接近5平方公里。嫦娥三號在12月2日的凌晨發射,登月時間為12月14日晚上,本次登月是1976年以來第一艘在月球實施軟著陸的月球探測器,這也是我國研製的探測器首次的地外天體上進行軟著陸,能掌握地外天體軟著陸技術的國家屈指可數,印度也想儘早在月球上著陸,但是其軟著陸技術並沒有達到所需的水準,就採用了撞月的方式,直接撞擊月球錶面,並美曰其名為尋找月球上的水資源。
  事實上撞擊月球也是一種探月手段,這需要看這艘探測器的任務是什麼,印度的月船一號任務也是由兩個部分任務組成,一個是月球軌道探測器,負責在環月軌道上運行,另一個則是撞擊月球錶面的硬著陸探測器,整個項目耗資僅為8000萬美元,算是比較入門級的月球探測計劃,取得的效果也比較有限。美國國家航空航天局在2009年發射的月球勘測軌道飛行器則是一艘非常先進的月球探測器,任務同樣也由兩個部分組成,一個是環月軌道運行的探測器,另一個則是月球撞擊坑觀測和遙感探測器,後者負責的任務是撞擊月球,環月探測器的任務是在月球軌道上捕捉撞擊產生的羽狀塵埃,當撞擊探測器將月球表層以及以下土壤揚起,就會在空中形成大量撞擊塵埃,而軌道探測器就對塵埃結構進行分析,計算出撞擊點附近乃至月球錶面的近表層土壤水資源分佈,除了環月探測器外,美國國家航空航天局還動用了陸基望遠鏡陣列對月球上"騰起"的羽狀塵埃結構進行分析,這樣才能較為全面地瞭解月球錶面以及下方數十米深的物質組成,因此對月球進行硬著陸的任務也是探測月球的一種手段。
  月球任務中使用軟著陸技術可追溯到美蘇登月競賽階段,那個時代是對月球進行大規模探索的年代,各種技術如同井噴般發展,當然最早的幾種月球探測器還是以撞擊月球這樣硬著陸的方式完成對月球的調查,比如美國國家航空航天局研製的徘徊者系列探測器,該系列在1960年代初發射入軌,前幾次任務全部失敗,畢竟探月技術完全是從無到有,比如行星際探測器上的一個很普通的技術:如何把天線對準地球方向,徘徊者系列探測器任務目的之一就是要確認這項設計是否可行,此外還有在轉移軌道上如何制動,將探測器的速度降低至多少後脫離軌道,進而被月球的引力捕捉,成為一顆繞月探測器,如果速度太快就沖了過去,月球引力完全無法捕捉到探測器,或者撞上月球,在徘徊者系列探測器任務階段上,軌道設計依然帶有驗證性的目的,徘徊者7號探測器和8號完成了撞擊月球的任務,其中8號硬著陸點位於靜海,這也是阿波羅載人登月計劃的著陸點。
  軟著陸技術讓當時的工程師瞭解到月球錶面土壤大緻密度,以及接近在近月面層上會出現何種情況,登月過程中需要在哪個高度上控制登月艙,確保軟著陸過程中不會"踩"到月球上的撞擊坑,造成登月艙傾倒。典型的軟著陸任務由美國國家航空航天局在1966年至1968年執行的勘察者探測器,除了兩次任務失敗之外,共有5艘勘察者探測器成功登陸月球錶面,降落點分佈較廣,比如風暴洋、靜海、第谷撞擊坑等,這些都是美國國家航空航天局試圖進行載人登陸的地點,證實勘察者系列探測器的任務使得當時的美國人認為月球錶面是可以滿足軟著陸要求的,也就是說可以滿足人類站在月球錶面上,我們現在回溯這個探索歷程,覺得有著不可思議,畢竟那個年代對月球的瞭解積累幾乎沒有,完全依靠幾個拿起來就用的航天器技術對月球錶面進行探測,並根據這些數據來制定載人登月計劃。
  蘇聯在美蘇登月競賽早期處於較為領先的狀態,比較著名的就是月球系列探測器,從月球1號開始,蘇聯實現的探月過程的領先,發射了第一艘月球探測器,也是第一艘人類製造的探測器掠過月球,當然僅僅是飛掠,而不是環月,月球2號則是第一艘在月球錶面實現硬著陸的探測器,其實這艘探測器上攜帶了蘇聯國徽,其探索意義明顯要低於其政治意圖,當月球2號摔在月球錶面上時,說明人類製造的航天器第一次落在地外天體上,而蘇聯人則把國徽掛到了月球上,從當時的背景看,月球系列探測器確實取得了不錯的開端,要知道月球1號是第一艘擺脫地月系引力的探測器,是第一顆人造行星,圍繞太陽公轉。
  事實上,美蘇登月進程中都是首先在月球上硬著陸,先解決有無的問題,然後開始研究軟著陸技術,而在尋找軟著陸過程中,又不可避免地要進行硬著陸,這是又回到了那個老問題上:軌道設計,傳統的登月過程首先的成為地球的衛星,然後進行軌道修正,進入轉移軌道,接著被月球引力捕獲,成為月球衛星,這一過程看似簡單,難度卻不小,直接導致了美蘇數艘探測器不是直接成為人造行星,就是在月球上硬著陸,比如蘇聯的月球7號,本來是驗證軟著陸技術,就是因為制動點發動機點火太早,錯過了切入角度,然後就直接撞月了。
  第一艘在月球上實現軟著陸的探測器是1966年蘇聯的月球9號,其任務目的也很簡單,月球錶面到底適不適合著陸,結論是適合,著陸後完成了對月球環境的拍攝,對一些基本的物化參數進行了探測,到了月球17號任務時,不僅完成了月球錶面的軟著陸,還攜帶了一輛月球車,這個任務設計與嫦娥三號比較相似。事實上蘇聯在無人探月上取得第一併不少,第一艘從月球錶面返回的探測器也是蘇聯,即月球16號,軟著陸方式為反推發動機制動,登陸裝置為四個緩衝著陸支架,作為蘇聯的第三代月球探測器,月球20號任務則被埋沒了,因為當時美國人已經完成了登月。
  從現代航天發展看,月球錶面軟著陸技術並不難,但如果要在月球錶面上軟著陸,就要把探測器送往月球,並瞭解月球錶面的基本情況,僅僅從軟著陸技術本身看,軟著陸有些類似太空探索技術公司的"蚱蜢"火箭,當探測器進入近月點開始軟著陸過程中,需要有一個較為合適的最優控制律,以嫦娥三號探測器為例,在近月15公里的高度上就要進入動力下降階段,該過程明顯要進行一些探測器姿態控制和調整,一直到接近月面大約2公里的位置,抵達2公里左右的高度時,探測器的水平速度必須減到零,速度完成在垂直方向上,水平方向為平衡狀態,這時候就要控制發動機的推力分配,狀態控制發動機就在這時候起到關鍵作用,一般情況下只要制動控制得當,基本可以實現軟著陸,但是在近月面時需要有足夠的時間觀察著陸點周圍的地形是否平坦,因為著陸支架容易受到月球不平整地形的影響,甚至造成登月探測器翻倒。
  月球上幾乎沒有大氣結構,基本近似於真空環境,軟著陸主要依靠發動機制動,從阿波羅登月艙的設計看,登月艙下降發動機需要有強大的變推力性能和多次真空啟動能力。探測器在下降過程中也需要使用到變推力動力,下降過程燃料肯定要消耗,探測器總質量也下降,因此發動機推力就必須改變,流量調節閥的面積就要可變,燃燒室的壓力也要維持,因此一些球形的設計方案就有利於壓力的控制,對下降段發動機性能有著非常關鍵的作用。嫦娥三號的總質量也才3.7噸,下降段對發動機的推力的要求並不太大,相比較載人登月艙而言,嫦娥三號不需要大推力的變推力發動機,但是如果我國要進行載人登月,那麼這一道關是必須邁過的。
  在月球上軟著陸是地外天體登陸的初級示範,月球是距離我們最近的天體,對月球的深入探索也進行了半個多世紀,月球錶面存在一些稀有氣體,總體可以近似真空狀態,因此登月探測器都不需要考慮隔熱的措施,相比較於登陸火星而言,月球軟著陸要簡單一些,比較先進的火星登月技術還屬美國國家航空航天局的好奇號火星車,質量近1噸的火星車通過一整套複雜的登陸裝置著陸,過程中不僅要拋出減速傘,還設計了一種全新的反推起重機,同樣當水平速度減為零後,反推起重機通過纜繩把火星車弔放到火星錶面,整個過程堪稱機械自動化設計的完美之作。因此嫦娥三號的軟著陸技術相對於我國而言是個未曾涉足的領域,成熟之後也可以應用到火星軟著陸上,地外天體的軟著陸方案需要因地制宜,月球幾乎沒有大氣結構,因此會相對簡答一些,如果登陸金星、火星等具有大氣結構的地外天體,那麼情況就會複雜很多,至少要考慮隔熱、減速傘、反推發動機,如果遇到地外天體大氣中有其他酸性物質,或者強輻射環境,那還需要對著陸器增加保護措施,這無疑增加了探測器質量,對火箭系統又提出了新的要求,航天探索是個環環相扣的過程,綜合對比就可以看出,月面軟著陸還是相對較為簡單的。(作者為大公軍事評論員 紅岸)
(編輯:SN098)
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