月球軟著陸：探索月球的溫柔之旅

2024年6月，嫦娥六號(hào)成功著陸在月球背面的南極-艾特肯盆地預(yù)選著陸區(qū)，人類(lèi)對(duì)于月球的探索已經(jīng)持續(xù)了半個(gè)多世紀(jì)之久，可成功在月球軟著陸的國(guó)家卻只有美國(guó)、蘇聯(lián)、中國(guó)和印度四個(gè)。

什么是軟著陸？

軟著陸簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是飛行器（如飛機(jī)、火箭或航天器）安全地、無(wú)損地降落到地面，與之相對(duì)的是硬著陸，即飛行器直接撞擊并導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p壞的著陸方式。

月球軟著陸面臨的挑戰(zhàn)

月球軟著陸之所以極具挑戰(zhàn)性，是因?yàn)閺牡厍虺霭l(fā)到成功降落在月球表面，需歷經(jīng)多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。首先，探測(cè)器需精準(zhǔn)進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，并在奔月途中不斷調(diào)整以應(yīng)對(duì)軌道偏差。接近月球時(shí)，需精確執(zhí)行近月制動(dòng)，確保既不被月球引力捕獲過(guò)猛而墜毀，也不因力度不足而逃逸。

緊接著月球捕獲后，便是更為復(fù)雜的著陸過(guò)程，這一過(guò)程同樣需要精心策劃并分為多個(gè)關(guān)鍵階段。首先是著陸地點(diǎn)的選擇，這一決策早在著陸器發(fā)射之前就已初步確定。對(duì)于計(jì)劃在月球正面著陸的任務(wù)而言，得益于長(zhǎng)期以來(lái)的探測(cè)與研究，存在大量詳盡的月面地形資料可供參考，使得選擇寬闊平坦的著陸點(diǎn)成為可能。但是對(duì)于像嫦娥四號(hào)這樣勇于挑戰(zhàn)月球背面的任務(wù)而言，情況則大不相同。世界各國(guó)都沒(méi)有相應(yīng)的著陸經(jīng)驗(yàn)。嫦娥四號(hào)只能依靠自身搭載的探測(cè)設(shè)備和人工智能算法，在下降過(guò)程中實(shí)時(shí)探測(cè)與分析周?chē)h(huán)境，一邊探索一邊調(diào)整下降軌跡，最終實(shí)現(xiàn)了在月球背面復(fù)雜地形上的安全著陸。

月球表面

月球軟著陸的關(guān)鍵技術(shù)

在嫦娥六號(hào)落月任務(wù)中，充分借鑒了我國(guó)多次地外天體軟著陸的寶貴經(jīng)驗(yàn)，并再次運(yùn)用了我國(guó)特有的“粗精接力避障”技術(shù)，確保了著陸過(guò)程的安全與精準(zhǔn)。嫦娥六號(hào)搭載的GNC系統(tǒng)（制導(dǎo) (Guidance)、導(dǎo)航（Navigation）與控制（Control）分系統(tǒng)），如同一位精準(zhǔn)的駕駛員，實(shí)時(shí)掌握著航天器的狀態(tài)，精準(zhǔn)規(guī)劃并執(zhí)行飛行軌跡，成功完成了飛行控制、著陸點(diǎn)選擇與精準(zhǔn)著陸三大核心任務(wù)。在下降過(guò)程中，嫦娥六號(hào)首先進(jìn)行“粗避障”，自主選擇一個(gè)滿(mǎn)足著陸和起飛要求的落點(diǎn)，然后通過(guò)快速調(diào)整姿態(tài)和拍照分析，飛向選定區(qū)域。隨著接近月面，嫦娥六號(hào)會(huì)短暫懸停進(jìn)行“精避障”，精確避開(kāi)障礙物，確定最終落點(diǎn)。最后，組合體移動(dòng)至落點(diǎn)上方然后垂直下降，到一定高度時(shí)關(guān)閉主發(fā)動(dòng)機(jī)，利用著陸腿緩沖實(shí)現(xiàn)軟著陸。同時(shí)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的GNC系統(tǒng)在保證落月精度的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)劑使用的經(jīng)濟(jì)性，為未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)提供了重要參考。

嫦娥六號(hào)著陸器和上升器組合體著陸月背的模擬動(dòng)畫(huà)

除了GNC 系統(tǒng)，嫦娥六號(hào)還配備了一個(gè)微波測(cè)距測(cè)速敏感器，類(lèi)似于汽車(chē)的停車(chē)?yán)走_(dá)，在著陸器接近月球表面時(shí)啟動(dòng)，精確測(cè)量并傳遞數(shù)據(jù)，幫助著陸器準(zhǔn)確判斷著陸點(diǎn)和降落速度，確保著陸過(guò)程的安全和精確。為了減輕著陸時(shí)的沖擊，著陸器還配備了4條輕質(zhì)且強(qiáng)度高的著陸腿，學(xué)名叫做“著陸緩沖機(jī)構(gòu)”。每條著陸腿由1個(gè)主腿、2個(gè)副腿和1個(gè)足墊構(gòu)成，它們共同作用，確保嫦娥六號(hào)在月球表面著陸時(shí)更加平穩(wěn)和安全。

月球軟著陸的探索歷程

在上世紀(jì)的太空爭(zhēng)霸時(shí)代，美蘇兩國(guó)都試圖在月球上實(shí)現(xiàn)軟著陸，這是一個(gè)充滿(mǎn)挑戰(zhàn)的任務(wù)。在那個(gè)時(shí)代，由于天文觀(guān)測(cè)能力的限制，我們對(duì)月球的了解還很有限，甚至無(wú)法精確測(cè)量月球的質(zhì)量，這使得計(jì)算月球引力對(duì)探測(cè)器的影響變得非常困難。蘇聯(lián)的月球1號(hào)探測(cè)器是第一個(gè)嘗試接近月球的人類(lèi)探測(cè)器，但由于對(duì)月球引力的了解不足，它只能從月球旁邊飛過(guò)，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)著陸。隨后，月球2號(hào)探測(cè)器成功撞擊月球，這是人類(lèi)歷史上第一次硬著陸月球。然而蘇聯(lián)并未止步于此，它的月球9號(hào)探測(cè)器直接從地球發(fā)射在撞上月球之前啟動(dòng)減速，成功實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)歷史上的第一次月球軟著陸。

盡管月球9號(hào)的月球軟著陸開(kāi)創(chuàng)了歷史先河，其技術(shù)上的簡(jiǎn)化使得這一成就雖然輝煌，但在為后續(xù)載人登月任務(wù)奠定技術(shù)基礎(chǔ)方面顯得相對(duì)有限。相比之下，美國(guó)的勘察者1號(hào)探測(cè)器則展示了更為復(fù)雜且精細(xì)的著陸技術(shù)，它完全依靠探測(cè)器自身的反推制動(dòng)系統(tǒng)在月球上實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的軟著陸，并且這一技術(shù)為后續(xù)的阿波羅載人登月計(jì)劃提供了寶貴的技術(shù)積累和驗(yàn)證。

隨后2013年12月2日，中國(guó)發(fā)射嫦娥三號(hào)探測(cè)器，嫦娥三號(hào)通過(guò)它的變推力發(fā)動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電機(jī)加絲桿和關(guān)機(jī)敏感器，成功實(shí)現(xiàn)了月球軟著陸，中國(guó)也成為了繼蘇聯(lián)、美國(guó)之后第三個(gè)實(shí)現(xiàn)月球軟著陸的國(guó)家。5年后，嫦娥四號(hào)探測(cè)器發(fā)射，它在距離月球上方100公里的位置進(jìn)行了“剎車(chē)”，進(jìn)入繞月軌道，在等待了23天后，太陽(yáng)光再次照亮月背時(shí)，嫦娥四號(hào)終于順利降落在月球背面，這意味著中國(guó)是第一個(gè)在月球背面軟著陸的國(guó)家。嫦娥六號(hào)探測(cè)器也在今年6月2日成功在月球背面著陸。

嫦娥六號(hào)在月背著陸

隨著月球軟著陸技術(shù)的日益成熟，未來(lái)將有更多國(guó)家和地區(qū)加入到這一壯麗的太空探索行列中來(lái)，共同揭開(kāi)月球乃至整個(gè)太陽(yáng)系的更多秘密。我們相信，在不久的將來(lái)，月球?qū)⒊蔀槿祟?lèi)深空探索的重要基地，為人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)新的力量。而這一切切的起點(diǎn)，正是那一次次驚心動(dòng)魄卻又充滿(mǎn)希望的月球軟著陸。

部分信息來(lái)源于人民網(wǎng)、科普中國(guó)等

（科學(xué)性審核：鄭永春，博士，空間科學(xué)傳播專(zhuān)家工作室）