上周五晚11时许,JAXA(日本宇宙航空研究开发机构)的SLIM月球智能着陆器开始了该国的第三次登月尝试,前两次分别是由于燃料泄漏被迫放弃的好客号,以及出现数据装订错误,导致燃料耗尽撞月的白兔-R,这第三次登月也是命运多舛,经过20分钟的减速下降后,SLIM月球智能着陆器以非正常姿态实现了月面软着陆,着陆月球后探测器与地球之间的通信仅持续了2个小时就被迫中断。

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SLIM月球智能着陆器(实物)
记者们在日本JAXA相模原园区观看SLIM登月直播

近日,JAXA的科学家团队根据遥测数据分析得知,SLIM月球智能着陆器的着陆姿态是头朝下,主发动机朝天,直接怼在了月面上,用“四脚朝天”来形容是比较恰当的,在这种姿态下,太阳能电池板朝向西方,而着陆时刻太阳的方位是东方,导致太阳能电池板无法接收到光照,因而不能发电,所以着陆后只能使用探测器自备的蓄电池供电。

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根据遥测数据分析推断的SLIM的着陆姿态

着陆后SLIM月球智能着陆器的能源供给只能靠蓄电池,只耗电,没有新的电力输入,因此电量急剧下降,在维持与地球通信约两小时后,蓄电池电量下降至12%,地面飞控团队为了避免蓄电池过放电,不得不主动断电关机。

根据蓄电池的余电来看,现在SLIM月球智能着陆器可以说是奄奄一息,还剩下最后一口气。

撑着这最后一口气还有希望吗?还是有的,他们在等太阳落山,24号之后太阳方位转移至西方的天空,此时太阳能电池板就能接收到光照,进而可能恢复发电能力,为蓄电池供电。


日本航天博主制作的SLIM的着陆姿态及光照条件模拟

注意这里的表述是“可能恢复发电”,而不是一定的,这又是为什么呢?主要两点负面因素影响。

一个是SLIM月球智能着陆器自身的状态未知,按照JAXA对该着陆器的任务结果评判标准可知,此次着陆任务实现了“最小成功”,何为最小成功?

JAXA为SLIM月球智能着陆器定义了三个成功标准:

最小成功:成功实现月面软着陆,基于机器视觉导航的自主避障技术得到验证;

全部成功:不仅实现月面软着陆,而且实现了基于图像匹配导航的高精度着陆,着陆位置偏差控制在100米以内;

超额成功:在实现高精度着陆的基础上,探测器搭载的科学探测载荷成功运行一个月昼。

他们认为SLIM月球智能着陆器实现了最小成功,也就是实现了月面软着陆,这是事实吗?

准确地说,SLIM实现的是非标准条件下的月面软着陆。

月面软着陆成功与否的直接体现是,探测器着陆月面以后,是否能够正常运行,而是否正常运行的一个最基础的标准就是能否与地球通信,SLIM在着陆后与地球维持了两个小时的通信,从这个表现来看,确实是实现了月面软着陆。

与之有相似表现的还有半个世纪前苏联的“火星3号”火星登陆任务,该探测器在着陆火星之后也与地球实现了14.5秒的通信,虽然这短暂的通信连张像样的照片也没能回传地球,但人们仍将其视为一次成功的火星软着陆登陆任务。

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苏联邮票上的火星3号进入舱

既然日本的SLIM月球智能着陆器已经实现了月面软着陆,为什么又说它是非标准条件下的月面软着陆?因为有一项关键的任务没有完成。

月球不同于有大气的天体,人造探测器要想实现月面软着陆通常依次有这么几个环节:主减速段、姿态调整段、接近段、悬停段、避障段、缓速下降段、着陆缓冲段。

中国嫦娥三号的登月下降阶段任务划分图(着陆缓冲段未标注)

主减速段是通过着陆器搭载的主发动机以最大推力运行,实现动力减速,此阶段不仅可以大幅消减掉探测器的飞行速度,而且可以实现高度的大幅下降;

姿态调整段,是着陆器通过姿控发动机实现姿态逐渐调整至垂直向下姿态,为后续阶段任务的实施建立条件;

接近段,主要是着陆器瞄准预选着陆区飞行,同时持续减速并下降高度;

悬停段,着陆器进行障碍识别,最终选定安全的着陆位置;


中国嫦娥三号悬停段成像

缓速下降段,着陆器以低推力工况缓慢下降高度,当到达距离月面数米高度时,主发动机关机;

主发动机关机后,着陆器以自由落体的方式接触月面,最后的着陆冲击能量由着陆机构吸收。


中国嫦娥四号动力关机与着陆缓冲段演示动图

日本的SLIM月球智能着陆器在距离月面约3米高度实现了动力关机,但就是没有完成最后的着陆缓冲段任务。

为什么说没有完成着陆缓冲段任务?这根据它的着陆姿态就能给出定论。

SLIM月球智能着陆器自身规模仅相当于嫦娥系列着陆器的六分之一都不到,甚至也远小于印度的月船三号着陆器,由于着陆器太小,以致于不能使用着陆腿机构。

虽然不能使用着陆腿机构,但为了保障着陆器的安全着陆,又必须有着陆缓冲能力,所以SLIM就只能不走寻常路。

JAXA给SLIM设计的着陆缓冲动作是这样的:距离月面3米处主发动机关机,紧接着在姿控发动机助力下,着陆器姿态前倾,然后布置在着陆器侧面距离月面较近的支撑脚先接触月面,之后以侧摔的方式实现所有支撑脚接触月面,支撑脚是由海绵状金属结构制造的缓冲装置,在接触月面的过程中通过海绵结构的破碎吸收最后的着陆冲击能量。

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JAXA根据遥测数据分析得知,SLIM是头朝下,主发动机朝天,也就是说,着陆缓冲机构几乎没有发挥作用,最后的着陆冲击能量大部分由探测器本体吸收,那问题就来了,虽然着陆后探测器可以与地球通信,但很难保证探测器的其它部件没有被摔坏,尤其是可能与月面非正常接触的太阳能电池板,有没有损坏,这都是未知数。

话说,为什么人造着陆器在进行月面软着陆时都要在距离月面两三米高度的最后时刻进行动力关机,而不是直至接触月面后再关机?这主要是为了降低月尘对探测器的影响,尤其是可能大量附着月尘的太阳能电池板。

可以看到,如果SLIM以正常姿态着陆,太阳能电池板是既不朝西也不朝东,而是朝天,太阳方位无论怎么变化,在一个月昼时间内都可以接收到光照。

正常着陆姿态与非正常着陆姿态

还有一种情况要考虑到,即使SLIM在没有完成着陆缓冲动作条件下,没有被摔坏,朝向西侧的太阳能电池板最终能不能接收到光照也是未知数,因为它所着陆的是一个坡度很大的位置,这就可能存在光照遮挡的因素。

不得不说,SLIM月球智能着陆器团队有着很重的赌徒心态,期望用最小的投入换取最大的成果,用这么小的身板,既想要实现100米以内高精度着陆,又想实现在坡度较大的撞击坑坑壁着陆,如果稳扎稳打,在较为开阔平坦的区域着陆,成功率显然会更高。一句话点评一下,就是“没这个金刚钻就不要揽这个瓷器活”。