月船三号登月前，印度航天高调公布一批照片，展示独门着陆技术
2023-08-24 星期四
“月球-25号”撞月与月船三号计划登月之间的时间间隔仅3天时间，短短几天时间，人类两个探测器先后尝试登月，即便是冷战时期的登月竞赛也鲜少看到这样的场面。人们此前对由曾经的航天强国打造的月球-25号有很高的期待，但该探测器在进入着陆准备轨道阶段，由于轨控发动机不受控制的点火，使得探测器高度急剧下降，最终遗憾撞击月面，登月任务尚未正式开始就宣告了失败。新兴航天大国印度的月船三号探测器虽然没有像月球-25号那样直接进入地月转移轨道，但在相对漫长的奔月旅途，每次轨道控制都在设计范围内，最终它通过5次环月降轨，并在第3次环月降轨后实现了两器分离（推进舱与着陆器分离），眼下月船三号着陆器正运行在近月点25公里、远月点134公里的着陆准备轨道，其登月时间初步定在了北京时间8月23日20时14分左右，届时将执行动力减速下降着陆动作。事实上，就进入着陆准备轨道而言，月船三号的表现已经超越了月球-25号，因为前者没有撞月。月船三号相较于月球-25号的领先之处并不止于此，就在前者进入着陆准备轨道的次日，印度空间研究组织就公布了着陆器“LHDAC危险检测和规避相机”于远月点拍摄的4张月表照片。就分辨率而言，这4张照片并不算上乘作品，而这却是月球-25号所求之不得的登月核心技术装备：避障相机。月船三号着陆器配置的着陆器LHDAC危险检测和规避相机月球-25号曾打算使用与欧空局合作的避障相机，但由于战争因素，欧空局取消了合作，使得该探测器就算是没有撞月，也只能“盲降登月”。在人类半个多世纪的探月征程中，尤其是20世纪，“盲降登月”是无人探测器唯一的登月技术方案。所谓盲降登月是指，着陆器瞄准预定着陆区，按照设计弹道逐段减速降落，在着陆的最后阶段没有识别月面障碍物的功能，更没有机动规避功能，所以，就算是着陆器下面是悬崖，也只能闭着眼睛落下去。说闭着眼睛都不太准确，因为那一时期的着陆器根本没有“眼睛”。因此，20世纪的无人着陆器都必须选择大片的开阔平坦区域登月。另外，着陆器还有下降发动机的推力误差，以及测距测速误差，使得着陆器并不能完全按照设计弹道降落，着陆点存在较大范围的偏差值，20世纪的月面照片分辨率又很低，进一步抬升了盲降登月的失败率。以月球系列11次无人采样返回任务为例，抛开5次因运载火箭问题导致的失败案例不谈，在剩下的6次登月任务，仅3次成功，失败率达到了50%。盲降登月之所以是20世纪的唯一登月技术方案，主要是因为那时的人类无法掌握基于机器视觉的障碍识别技术，直到21世纪初期才由嫦娥三号探测器打破了这一局面。嫦娥三号不仅是我国首个成功软着陆月球的探测器，它还终结了人类无人探测器盲降登月的历史，因为该探测器在全球范围内率先具备了基于机器视觉原理的障碍识别功能，并以此为依托，掌握了全套的登月避障技术。嫦娥三号着陆器的机器视觉功能是指“粗避障+精避障”接力避障。粗避障是指，着陆器的光学成像敏感器在距离月面千米级高度对着陆区成像，可以识别较大的障碍物，提前加以规避，并能够初步选择安全着陆区。精避障是指，粗避障之后，当着陆器抵达距离月面100米高度时，在7500N变推力发动机及姿控动力的助力下，着陆器在月空悬停，与此同时，着陆器搭载的激光三维成像敏感器与激光测距敏感器联合对月面高精度三维成像，并选定最终的安全着陆点。光学粗避障+激光三维成像精避障的接力避障方案确实太香了，因为在这套技术的帮助下，嫦娥系列着陆器取得了三战三捷的骄人战绩，登月任务全部成功无一败绩，成功率高达100%，在此之前的人类无人着陆器从未取得过如此辉煌的成绩。这套技术在天问一号登陆火星的任务中也有应用，激光三维成像敏感器在火星环境中也没有水土不服，由此看来，我们之所以能够在一次火星探测任务中连续取得环绕、着陆、巡视探测成功并不是偶然，而是植根于嫦娥探月工程的厚积薄发。天问一号火星登陆任务中使用激光三维成像技术选取安全着陆点拥有激光三维成像精避障技术装备，并将其应用于深空探测任务的国家，放眼世界，也只有我们一家。目前，欧洲也正在研制同类载荷，但是要到2025年才初步具备工程应用能力，而我们十年前就有了。再过不久，接力避障还会用在载人登月任务上，届时，我们能够以着陆器自主避障为主，航天员手控避障为备份，实现人机互为备份的载人登月方案，比阿波罗登月计划的单一手控避障更可靠。这有点像载人航天器之间的空间交会对接任务，在规则上就确定必须“人机互为备份”。面对嫦娥系列着陆器如此高的成功率，印度航天不会无动于衷，其即将登月的月船三号就借鉴了我们的方案。比如，上文提及的月船三号着陆器配置的“LHDAC危险检测和规避相机”就是光学避障相机，该着陆器将在距离月面800米至1300米高度区间悬停，悬停期间避障相机可以识别着陆区较大的障碍物，然后机动规避缓速下降。与嫦娥系列着陆器相比，月船三号的避障能力仅相当于我们“粗避障+精避障”接力避障能力中的“粗避障”，精避障能力十分有限。不过，这可能并非月船三号登月能力的全貌，比如最近印度空间研究组织又发布了月船三号着陆器位置检测相机（LPDC）拍摄的一系列图像，他们是这样官宣的：LPDC图像协助着陆器模块确定其位置（纬度和经度），将它们与机载月球参考地图进行匹配。这说明月船三号着陆器有可能用上了基于地形相对导航的高精度着陆技术。前文已经提及，着陆器下降过程中受推力误差、轨道偏差等因素制约，并不能完全保证沿着设计弹道降落，我们嫦娥系列着陆器的接力避障技术解决的是着陆的安全性问题，并没有解决着陆精度问题。简单点说，就是嫦娥系列着陆器能做到安全着陆，但还没有具备指哪落哪的“定点着陆”功能。“地形相对导航”就是其中之一，着陆器机载计算机预先存储降落弹道途径区域的月面照片，在降落过程中着陆器的光学相机对月面成像，实拍图像与机载储存图像匹配，就可以解算弹道偏差量，从而修正弹道，这样就能大幅缩小着陆误差，进而实现指哪落哪。据印度空间研究组织的表述来看，月船三号着陆器LPDC位置检测相机有可能用上了地形相对导航技术，不过，也有另一种可能，就是这台相机所获取的图像，只能用于着陆后的经纬度位置确定，并不具备定点着陆能力。另外一种方案是提前在月面放置无线电信标，着陆器与信标实时通信，也可以据此解算弹道偏差量，从而修正弹道。地形相对导航适合在陌生月面区域定点着陆，而无线电信标导航则适合多个探测器在月面集中部署需求，比如月面科研站。谈这个话题就不得不提到嫦娥四号任务，它是嫦娥三号的备份探测器，发射完嫦娥三号之后科学家们就在讨论备份探测器可以用来做什么，当时主要有三种意见：1.备份探测器不发射了，集中精力主攻新任务；2.让备份探测器降落到嫦娥三号旁边，向世界展现我们的定点着陆实力；3.让备份探测器降落到月球背面。如果不发射备份探测器，这就有点浪费，至于让备份探测器落到嫦娥三号旁边，是可以展现我们的工程实力，但科学探测价值就弱化了，因为那是嫦娥三号已经去过的区域，经过权衡利弊之后，大家形成了共识，就是到月球背面去，让科学探测价值最大化，这样也能向世界展现我们基于科学探测需求任意选择着陆区域的全月面到达工程实力。换句话说，定点着陆技术对于我国探月工程而言，并非难与不难的抉择，而是选择什么时间去做的问题。按照计划，定点着陆技术将应用于嫦娥七号探测器，这是一款由飞跃探测器、月球车、着陆器、轨道器组成的多器联合的大规模探测器，旨在对月球南极，以及月球全球进行深度探测。月船三号即便具备地形相对导航定点着陆功能，但这对该探测器能否成功登月并不起决定性作用，因为起决定作用的是避障技术的可靠性，其陆避障能力远落后于嫦娥系列着陆器的工程能力表现就是着陆器悬停成像的高度太高（月船三号着陆器悬停高度是800米至1300米，嫦娥系列着陆器悬停高度是100米），无法近距离识别月面障碍物。主要原因就是下降发动机的能力有限，月船三号的着陆反推动力是4台800N变推力发动机，其推力可在85%至100%之间变化，与之对比，嫦娥系列着陆器的7500N变推力发动机的变推力区间是16%至110%。月船三号即便在1300米高度悬停，由于变推力能力太弱，也只能通过关闭4台反推发动机中的2台，以满足推力大范围变化的需求。诚然，月船三号相较于嫦娥系列着陆器的综合避障能力要落后得多，但还是有避障功能，反观月球-25号探测器，在人类无人着陆器已经进入自主避障时代后，它还要开“盲降登月”的技术倒车，这就有点说不过去了。另外，印度月船三号着陆器的避障相机也实现了国产化，其研制单位是印度空间应用中心，这一信息已由印度空间研究组织确认。除此之外，月船三号的其它重要传感器也基本都实现了国产化，比较经典的案例是激光测速敏感器，最开始他们是打算进口的，但因为预算规模有限，不得不自主研制。进入新世纪以来，嫦娥探月工程是人类探月事业无可争议的引领力量，印度航天在探月领域也是可圈可点，他们发射了三个探测器，就眼下来看是胜败各半，我们也应当看到他们的努力，以月船三号为例，即便这次登月任务再失败，然而，只要比月船二号有更好的表现也是进步。四年前，月船二号在距离月面2.1公里处失联，此番月船三号即便是在距离月面1公里处失联，也是进步。只要不抛弃不放弃，持之以恒不断发展，距离登月成功的目标就可以渐行渐近。
