月球軟著陸： 探索月球的溫柔之旅

2024年6月，嫦娥六號成功著陸在月球背面的南極-艾特肯盆地預(yù)選著陸區(qū)，人類對于月球的探索已經(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家卻只有美國、蘇聯(lián)、中國和印度四個(gè)。

什么是軟著陸？

軟著陸簡單來說，就是飛行器（如飛機(jī)、火箭或航天器）安全地、無損地降落到地面，與之相對的是硬著陸，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)對軌道偏差。接近月球時(shí)，需精確執(zhí)行近月制動，確保既不被月球引力捕獲過猛而墜毀，也不因力度不足而逃逸。

緊接著月球捕獲后，便是更為復(fù)雜的著陸過程，這一過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。對于計(jì)劃在月球正面著陸的任務(wù)而言，得益于長期以來的探測與研究，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。但是對于像嫦娥四號這樣勇于挑戰(zhàn)月球背面的任務(wù)而言，情況則大不相同。世界各國都沒有相應(yīng)的著陸經(jīng)驗(yàn)。嫦娥四號只能依靠自身搭載的探測設(shè)備和人工智能算法，在下降過程中實(shí)時(shí)探測與分析周圍環(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)

在嫦娥六號落月任務(wù)中，充分借鑒了我國多次地外天體軟著陸的寶貴經(jīng)驗(yàn)，并再次運(yùn)用了我國特有的“粗精接力避障”技術(shù)，確保了著陸過程的安全與精準(zhǔn)。嫦娥六號搭載的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)。在下降過程中，嫦娥六號首先進(jìn)行“粗避障”，自主選擇一個(gè)滿足著陸和起飛要求的落點(diǎn)，然后通過快速調(diào)整姿態(tài)和拍照分析，飛向選定區(qū)域。隨著接近月面，嫦娥六號會短暫懸停進(jìn)行“精避障”，精確避開障礙物，確定最終落點(diǎn)。最后，組合體移動至落點(diǎn)上方然后垂直下降，到一定高度時(shí)關(guān)閉主發(fā)動機(jī)，利用著陸腿緩沖實(shí)現(xiàn)軟著陸。同時(shí)，經(jīng)過優(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，為未來深空探測任務(wù)提供了重要參考。

嫦娥六號著陸器和上升器組合體著陸月背的模擬動畫

除了GNC 系統(tǒng)，嫦娥六號還配備了一個(gè)微波測距測速敏感器，類似于汽車的停車?yán)走_(dá)，在著陸器接近月球表面時(shí)啟動，精確測量并傳遞數(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)的太空爭霸時(shí)代，美蘇兩國都試圖在月球上實(shí)現(xiàn)軟著陸，這是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的任務(wù)。在那個(gè)時(shí)代，由于天文觀測能力的限制，我們對月球的了解還很有限，甚至無法精確測量月球的質(zhì)量，這使得計(jì)算月球引力對探測器的影響變得非常困難。蘇聯(lián)的月球1號探測器是第一個(gè)嘗試接近月球的人類探測器，但由于對月球引力的了解不足，它只能從月球旁邊飛過，并沒有實(shí)現(xiàn)著陸。隨后，月球2號探測器成功撞擊月球，這是人類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號探測器直接從地球發(fā)射在撞上月球之前啟動減速，成功實(shí)現(xiàn)了人類歷史上的第一次月球軟著陸。

盡管月球9號的月球軟著陸開創(chuàng)了歷史先河，其技術(shù)上的簡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)方面顯得相對有限。相比之下，美國的勘察者1號探測器則展示了更為復(fù)雜且精細(xì)的著陸技術(shù)，它完全依靠探測器自身的反推制動系統(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，中國發(fā)射嫦娥三號探測器，嫦娥三號通過它的變推力發(fā)動機(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，中國也成為了繼蘇聯(lián)、美國之后第三個(gè)實(shí)現(xiàn)月球軟著陸的國家。5年后，嫦娥四號探測器發(fā)射，它在距離月球上方100公里的位置進(jìn)行了“剎車”，進(jìn)入繞月軌道，在等待了23天后，太陽光再次照亮月背時(shí)，嫦娥四號終于順利降落在月球背面，這意味著中國是第一個(gè)在月球背面軟著陸的國家。嫦娥六號探測器也在今年6月2日成功在月球背面著陸。

嫦娥六號在月背著陸

隨著月球軟著陸技術(shù)的日益成熟，未來將有更多國家和地區(qū)加入到這一壯麗的太空探索行列中來，共同揭開月球乃至整個(gè)太陽系的更多秘密。我們相信，在不久的將來，月球?qū)⒊蔀槿祟惿羁仗剿鞯闹匾兀瑸槿祟惿鐣目沙掷m(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魄卻又充滿希望的月球軟著陸。

部分信息來源于人民網(wǎng)、科普中國等

（科學(xué)性審核：鄭永春，博士，空間科學(xué)傳播專家工作室）

本文來自： 中國數(shù)字科技館

責(zé)任編輯：王磊