文/遲惑

▲“創(chuàng)世紀(jì)號”傳回的最后一張畫面，然后它就墜毀了

2019年4月14日，被以色列各界寄予厚望的“創(chuàng)世紀(jì)號”月球著陸器墜毀在月面上，這宣告以色列沖擊“世界上第四個月球軟著陸國家”的努力失敗了。雖然說失敗是成功之母，但最終導(dǎo)向成功的失敗才有意義。如果詳細(xì)分析“創(chuàng)世紀(jì)號”的飛行過程，可以發(fā)現(xiàn)問題還是不小的。如果SPACEIL公司和IAI公司繼續(xù)按照這樣的模式來研制后續(xù)月球著陸器，未必能走向成功的終點。

月球X大獎賽

SPACEIL公司和“創(chuàng)世紀(jì)號”的起源，都可以追溯到2007年發(fā)起的谷歌月球X大獎賽。谷歌公司為了鼓勵民營企業(yè)積極投身航天探索，創(chuàng)辦了一個獎金2500萬美元的賽事。按照賽制規(guī)定，在2012年12月31日之前，任何企業(yè)或團(tuán)體只要第一個把月球車發(fā)射到月球上，在月球上行走500米，并且發(fā)送1G的圖像信號回地球，就可以獲得2000萬美元。第二名獲得500萬美元。如果在2012年12月31日之后、2014年12月31日之前做到，第一名獎金下降到1500萬美元。

這項賽事引起了全球范圍內(nèi)的轟動，應(yīng)者云集。但是到了2014年年底，居然沒有任何一個團(tuán)隊能夠做到。主辦方只好把賽事延期到2018年1月28日終止。然而到了這一天，還是沒有人能把探測器發(fā)射到月球上去。不過有幾個代表隊真正進(jìn)入了探測器研制狀態(tài)。SPACEIL就是其中一個。

或許是主辦方認(rèn)為，賽事就這樣灰溜溜地收場，對商業(yè)航天的發(fā)展打擊太大了，于是在2018年4月，主辦方宣布月球X大獎賽重新啟動。但由于谷歌不再贊助，這次沒有獎金了。沒有獎金的大獎賽還能叫大獎賽嗎？很顯然，這是要給接近終點的幾個團(tuán)隊一個交代而已。但實際上，繼續(xù)向前走的團(tuán)隊只有SPACEIL一家。在月球X大獎賽重新啟動的消息公布后不久，SPACEIL就宣布，探測器已經(jīng)接近于研制完成。于是乎，“創(chuàng)世紀(jì)號”成了唯一進(jìn)入發(fā)射程序的月球X大獎參賽者。

▲以色列夢想著成為第四個月球軟著陸的國家

不過這不僅僅是為了情懷和夢想，以色列為了推動宇航產(chǎn)業(yè)發(fā)展動用了政府力量。就在月球X大獎賽第一輪截止期鄰近的時候，SPACEIL公司公開哭 窮。2017年12月5日，SPACEIL首席執(zhí)行官厄蘭·普利維曼對媒體表示，還需要再籌集3000萬美元的資金，才能把工作繼續(xù)下去。但是SPACEIL的董事會前主席、億萬富翁莫里斯·可汗說，如果團(tuán)隊能到市場上或者政府那里找到不少于2000萬美元，他就再出1000萬美元。

這位可汗說話是有分量的，因為他已經(jīng)為創(chuàng)世紀(jì)項目出資1800萬美元，在當(dāng)時已經(jīng)籌集到的5500萬美元里占了很大的一部分。不得不說，這家機(jī)構(gòu)的籌款能力還是不錯的，9天之后，他們就弄到了2250萬美元的捐款承諾，這其中應(yīng)該包括可汗的1000萬，但還差750萬美元才夠。經(jīng)常觀察航天項目經(jīng)費的讀者可能對750萬美元這種數(shù)字已經(jīng)無感了，但其實這是一筆很大的款子，要人平白捐獻(xiàn)這么多錢，談何容易。

到2018年4月月球X大獎賽OHB公司的身上。

可能是因為研制和試驗工作順利，SPACEIL的承包商IAI公司甚至開始考慮后續(xù)探月任務(wù)了。其實IAI目前還只有地球觀測衛(wèi)星飛行成功的經(jīng)驗，把星際探測器的難度想得太低了。

終于發(fā)射

▲以色列總理內(nèi)納尼亞胡興奮地觀看著陸過程直播

2019年2月21日，“創(chuàng)世紀(jì)號”終于搭載獵鷹9號火箭發(fā)射升空。之所以要說搭載，是因為這次發(fā)射的主要載荷是印度尼西亞的PSN-6通信衛(wèi)星。PSN-6重達(dá)4100千克，而“創(chuàng)世紀(jì)”只有600千克。發(fā)射33分鐘后，“創(chuàng)世紀(jì)號”與火箭分離，踏上了奔月之旅?！盁o獎金重啟”的時候，SPACEIL已經(jīng)弄到了足夠的錢。而另外一個團(tuán)隊synergy moon對是否繼續(xù)月球任務(wù)含糊其辭，只是在推特上表示“要繼續(xù)前往月球”。SPACEIL不但不缺錢了，而且還向歐空局伸去了橄欖枝，打算在“創(chuàng)世紀(jì)號”上搭載歐洲的科學(xué)設(shè)備。這些設(shè)備的研制工作最后落到了德國有趣的是，按照SPACEIL發(fā)布的視頻，“創(chuàng)世紀(jì)號”并不是搭載在整流罩中，而是搭載于火箭上面級的下方?；鸺劝选皠?chuàng)世紀(jì)號”釋放出來，然后再帶著PSN-6衛(wèi)星繼續(xù)前往更高的軌道。以喜歡發(fā)帖而著稱的馬斯克卻對自己承擔(dān)了這樣一項星際探測任務(wù)沒有什么表態(tài)，或許是覺得不載人的東西都不值得他關(guān)心吧。

▲“創(chuàng)世紀(jì)號”拍到了月球表面的地形

▲“創(chuàng)世紀(jì)號”飛向月球的過程中，拍攝了地球的畫面

SPACEIL公司當(dāng)然很激動，這家企業(yè)不但把以色列總理內(nèi)塔尼亞胡請到了控制室，現(xiàn)場觀看發(fā)射直播，還迅速通過各種渠道發(fā)布了消息，甚至制作了“以色列將成為繼美蘇中之后第四個月球軟著陸國家”“SPACEIL將成為第一個月球軟著陸的非政府航天組織”的視頻。大批以色列兒童聚集在電視機(jī)前，看著發(fā)射視頻高聲歡呼。面對這樣的場景，我們只能說：孩子，你經(jīng)歷得還不夠多。

變軌過程

“創(chuàng)世紀(jì)號”的發(fā)射也成為國際航天界的熱門話題，似乎人人都認(rèn)為它肯定能成功。

由于發(fā)射質(zhì)量小，因此“創(chuàng)世紀(jì)號”攜帶的燃料非常有限，只能采取省燃料、費時間的軌道轉(zhuǎn)移方案。從發(fā)射后，它歷時一個多月才被月球捕獲。相比之下，嫦娥三號探測器發(fā)射后只用了12天就進(jìn)入著陸程序了。

然后，“創(chuàng)世紀(jì)號”用自己的發(fā)動機(jī)點火，進(jìn)入一個遠(yuǎn)地點達(dá)到6萬公里的狹長大橢圓軌道。當(dāng)回到近地點的時候，它繼續(xù)加速，把遠(yuǎn)地點提升到14萬公里。在第三圈，“創(chuàng)世紀(jì)號”要把遠(yuǎn)地點提升到27萬公里，在這個軌道上繞行一圈，等待月亮到達(dá)合適位置。在第四圈，“創(chuàng)世紀(jì)號”把軌道高度提升到40萬公里，超過了月球繞地球飛行的軌道高度。它要在這個軌道上運行一整圈，當(dāng)再次運行到遠(yuǎn)地點的時候，正好與月球交會。這時，“創(chuàng)世紀(jì)號”要進(jìn)行一定的減速，這樣就正好被月球吸引過去，進(jìn)入環(huán)繞月球飛行的軌道。

“創(chuàng)世紀(jì)號”被月球捕獲后，進(jìn)入了近月點290公里、遠(yuǎn)月點1萬公里的橢圓軌道，然后通過制動來降低高度，進(jìn)入一條距離月球表面250公里的圓軌道。在這個過程里，“創(chuàng)世紀(jì)號”拍攝了不少月球表面的照片，引起宇航界一片轟動。3月28日，組委會表示，要向SPACEIL頒發(fā)100萬美元的“月球射入獎”。

到了4月中旬，“創(chuàng)世紀(jì)”終于要進(jìn)行最后一步，軟著陸了。

“臨門一腳”很重要

SPACEIL自稱，自己已經(jīng)非常接近成功，這話并不算錯。但差一步也不是成功，而且最后這一步到底有多少風(fēng)險多少磨難，不走到終點是無法知道的，就像足球比賽的臨門一腳一樣。至少我們可以知道，SPACEIL在“創(chuàng)世紀(jì)號”的研制中，沒有對這“臨門一腳”做充分的試驗驗證。

▲即將進(jìn)入模擬器進(jìn)行真空試驗的“創(chuàng)世紀(jì)號”

但在地面試驗中，SPACEIL和IAI采取了另一種辦法。從他們公布的視頻來看，只是用一臺吊車把“創(chuàng)世紀(jì)號”吊在一米多高的位置，然后松開吊鉤，讓它掉落在一片軟質(zhì)土壤上。按照有關(guān)物理公式，這樣的方式也說得通，不過總讓人有一種取巧的感覺。但是，我們并沒有看到“創(chuàng)世紀(jì)號”用火箭反推、受控下降過程的演示驗證。如果SPACEIL和IAI真的沒有做這項試驗，那未免自信過度了。航天活動數(shù)十年的歷史已經(jīng)證明，沒有在地面接受過充分驗證的技術(shù)和方案，貿(mào)然上天，是一定會出問題的。出資人可汗已經(jīng)表態(tài)，會支持后續(xù)的月球任務(wù)。然而工程上的風(fēng)險往往是很難預(yù)測的。那么如果SPACEIL真的再次啟動探月任務(wù)，就必須有所投入，來測試一下軟著陸方案的全過程。到時候，8000萬美元夠不夠用，就不好說了。

故障原因分析

像“創(chuàng)世紀(jì)號”這種著陸期間忽然發(fā)生故障然后失去聯(lián)系的情況，一般是制導(dǎo)導(dǎo)航控制系統(tǒng)（GNC）出了問題。事實上，SPACEIL公布的情況也符合這個判斷。

“創(chuàng)世紀(jì)號”選定的著陸場，面積大約在30平方公里。聽起來面積不算小，但是“創(chuàng)世紀(jì)號”在著陸前的飛行速度大約是每小時6000公里，因此難度還是有一些的。

按照這家機(jī)構(gòu)的說法，“創(chuàng)世紀(jì)號”在距離月球表面150米的地方，一個慣性器件出了問題，導(dǎo)致電腦錯誤地關(guān)閉了主發(fā)動機(jī)。地面人員發(fā)現(xiàn)問題后立刻設(shè)法重啟，但為時已晚，著陸器以每小時500公里的速度沖向了月球表面?？瓷先?，這是一次簡單的單點失效，SPACEIL的運氣比較差。國外媒體的報道也稱，SPACEIL已經(jīng)非常接近成功了。畢竟是走到最后一步了嘛。

然而這最后一步看來并不好走。

原因推測

我們在這里可以做出一點推測。當(dāng)時“創(chuàng)世紀(jì)號”正在減速下降過程中，它首先要把主發(fā)動機(jī)朝向飛行前方，產(chǎn)生一個與速度矢量相反的推力，使它不再維持繞月球飛行的軌道，而是向月面下降。當(dāng)速度下降到一定程度后，要再次調(diào)整姿態(tài)，把主發(fā)動機(jī)朝向月球表面，一邊橫飛一邊逐步減速下降，最后降落在預(yù)定區(qū)域。可以發(fā)現(xiàn)，在這個過程中飛行器的姿態(tài)會發(fā)生劇烈的變化。慣性器件——主要是陀螺儀——產(chǎn)生誤判的可能性是很大的，而且降落過程非常短，一旦開始減速，就沒有犯錯誤的機(jī)會，或者成功著陸，或者摔下去。從以色列IAI公司曾經(jīng)制造過的航天器來看，還沒有哪種具有這樣的能力，也就是說，他們沒有相關(guān)經(jīng)驗。

慣性器件如果向計算機(jī)發(fā)出了錯誤的信號，會讓計算機(jī)誤以為著陸器已經(jīng)到達(dá)了預(yù)定高度，就關(guān)掉了發(fā)動機(jī)。然而我們從視頻中看到的情況并不止于此，“創(chuàng)世紀(jì)號”似乎并不是垂直于月面下降的，而是有一定的角度。因此，姿態(tài)調(diào)整動作或許并沒有充分完成。這時候再錯誤地關(guān)閉發(fā)動機(jī)，就是雪上加霜。

單點失效要避免

無論SPACEIL還是IAI，都缺乏設(shè)計外星著陸器的經(jīng)驗，但僅僅是缺乏經(jīng)驗這樣簡單嗎？這表明“創(chuàng)世紀(jì)”的總體設(shè)計是存在嚴(yán)重問題的。在任何系統(tǒng)設(shè)計中，都要極力避免單點失效的風(fēng)險存在。對航天器來說，除了結(jié)構(gòu)、太陽電池這種難以備份的分系統(tǒng)之外，其他分系統(tǒng)要盡量提供備份，防止單個元器件或者組件失效導(dǎo)致整星失效。而且對GNC來說，計算機(jī)不能依靠一個器件的輸入就做出判斷。尤其是外星探測器，這種探索性質(zhì)的航天器往往會遇到人們意料之外的事情。宇宙中環(huán)境復(fù)雜，各種電磁波、宇宙射線、帶電粒子的干擾，往往會導(dǎo)致某個敏感器產(chǎn)生誤判。星上計算機(jī)必須通過多個敏感器的輸入來進(jìn)行綜合，或者根據(jù)軌道和姿態(tài)預(yù)測，排除單個敏感器的錯誤數(shù)據(jù)。

SPACEIL在宣傳片中高度強(qiáng)調(diào)，自己要用很少的預(yù)算來實現(xiàn)航天大國花了幾十億美元才做到的事情?！皠?chuàng)世紀(jì)號”顯然是為了控制成本，盡可能地減少了各種分系統(tǒng)中的備份措施。這樣不但降低了探測器本身的制造成本，也降低了重量和體積，減少了發(fā)射成本，但后果是造成了大量單點失效風(fēng)險。實際上，在“創(chuàng)世紀(jì)號”變軌的過程中就出過問題。2月28日，“創(chuàng)世紀(jì)號”的計算機(jī)發(fā)生了“指令軟件故障”。在地面人員的干預(yù)下，故障被排除了。變軌過程比較漫長，提供了人工干預(yù)的機(jī)會，而降落月球的過程卻沒有這樣的機(jī)會。

因此，在搞航天型號的時候，不該省的就不能省。

▲IAI公司廠房中的“創(chuàng)世紀(jì)號”，注意發(fā)動機(jī)位置

相關(guān)鏈接：

“創(chuàng)世紀(jì)號”什么樣

“創(chuàng)世紀(jì)號”是一個什么樣的探測器呢？

有趣的是，無論甲方SPACEIL還是承包商IAI，都沒有對“創(chuàng)世紀(jì)號”的技術(shù)細(xì)節(jié)給出足夠清晰的描述，只是發(fā)布了一些不算詳細(xì)的視頻，并且在網(wǎng)站上做了簡單說明。我們有理由相信，這兩家機(jī)構(gòu)打算在任務(wù)成功之后，在某個重大場合公開宣布有關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)和探測成果，比如國際宇航聯(lián)的年度大會。不過看來，至少2019和2020年，這個愿望不可能實現(xiàn)了。我們只能根據(jù)有限的資料，來判斷一下它的結(jié)構(gòu)和工作原理。

首先，“創(chuàng)世紀(jì)號”采用了月球著陸器的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)型，也就是四個著陸腿支撐著一個雙層平臺。兩層平臺中間是四個球形的燃料罐。在上層平臺頂部和側(cè)面，貼著太陽電池，裝著各類科學(xué)儀器。而在下層平臺的下表面，裝著用于著陸的主發(fā)動機(jī)和多個姿態(tài)控制發(fā)動機(jī)。電子設(shè)備則見縫插針地安裝在各層平臺上。

在主發(fā)動機(jī)的旁邊，還有8個姿控發(fā)動機(jī)。按照設(shè)計要求，“創(chuàng)世紀(jì)號”要在距離月球表面5米的地方關(guān)閉所有發(fā)動機(jī)，然后自由落體到月球表面。

由于發(fā)射質(zhì)量只有600千克，推進(jìn)劑攜帶量有限，因此“創(chuàng)世紀(jì)號”不但要在星際飛行中盡量節(jié)省燃料，還要在著陸過程中節(jié)省燃料。為此，SPACEIL設(shè)計了一種獨特的著陸支腿，打算用U形彈簧減震的方式來實現(xiàn)最后落地的過程。簡單說，就是把著陸支腿設(shè)計成套管形式。在兩層套管上各自有一個鉸鏈，連接著U形彈簧的兩端。

在發(fā)射和整個飛行期間，U形彈簧是伸展的。進(jìn)入著陸狀態(tài)后，主發(fā)動機(jī)把著陸器下降到距離月球表面大概1米的地方，然后關(guān)機(jī)，“創(chuàng)世紀(jì)號”自由落向月球表面。按照設(shè)計，這時候的著陸器姿態(tài)是端正的，四個支腿能幾乎同時落地。U形彈簧吸收沖擊的能量后被壓縮成Ω狀，保護(hù)著陸器上的儀器設(shè)備不受沖擊。

然而，這個獨特的設(shè)計并沒有得到一展身手的機(jī)會。