文/石曉龍

北京時(shí)間9 月7 日8 點(diǎn)42 分，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）在種子島航天發(fā)射場(chǎng)，用H-2A 火箭將該機(jī)構(gòu)研制的XRISM 望遠(yuǎn)鏡（全稱為“X 射線光譜成像任務(wù)），以及日本的又一個(gè)月球著陸器——SLIM 著陸器（全稱為“探月智能著陸器”）發(fā)射升空。

JAXA 原計(jì)劃使用埃普西隆固體火箭來單獨(dú)發(fā)射SLIM，但是由于XRISM望遠(yuǎn)鏡的研發(fā)遇到困難，經(jīng)費(fèi)緊張，因此在2017 年JAXA 決定讓SLIM 著陸器與XRISM 望遠(yuǎn)鏡共同搭乘H-2A火箭，以節(jié)省經(jīng)費(fèi)來補(bǔ)貼XRISM 望遠(yuǎn)鏡和其他衛(wèi)星的研發(fā)費(fèi)用。

此次任務(wù)由JAXA 主導(dǎo)，經(jīng)費(fèi)預(yù)計(jì)為180 億日元，目的是讓日本成為繼蘇聯(lián)、美國、中國、印度后，第五個(gè)成功執(zhí)行月球軟著陸任務(wù)的國家。該著陸器的計(jì)劃最早在2005年提出，名為“小型月球著陸實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”，但是之后該提案并沒有得到推進(jìn)，直到2016 年之后才在JAXA 內(nèi)部獲得立項(xiàng)，并由三菱電機(jī)公司負(fù)責(zé)抓總。該公司也負(fù)責(zé)SLIM 著陸器上大部分科學(xué)儀器的研發(fā)和制造。

▲ 日本探月智能著陸器飛向月球渲染圖

SLIM 著陸器原計(jì)劃于2021 年發(fā)射，但是由于各種延誤，一直推遲直到今年，而在發(fā)射前又由于臺(tái)風(fēng)影響推遲了10 天左右。

▲ SLIM 著陸器1∶2 例模型

“月球狙擊手”

根據(jù)JAXA 對(duì)外放出的任務(wù)描述，SLIM 著陸器的使命是：展示未來利用小型航天器進(jìn)行月球和行星探索所需的高精度著陸技術(shù)。通過展示這項(xiàng)技術(shù)，對(duì)引力天體的探索將發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)的“在容易著陸的地方著陸”轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸谀阆胫懙牡胤街憽?。根?jù)JAXA 給出的數(shù)據(jù)，SLIM 著陸器的著陸精度能達(dá)到100 米以內(nèi)，也因此獲得了“月球狙擊手”的外號(hào)。

“利用像SLIM 這樣的小型航天器進(jìn)行著陸演示在世界上是獨(dú)一無二的，隨著SLIM 項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)，在航天器重量和攜帶資源限制比月球更為嚴(yán)格的行星上著陸將成為現(xiàn)實(shí)。此外，如果將來從月球進(jìn)行樣本返回，則有可能通過從月球發(fā)射SLIM 級(jí)大小的返回飛行器，將與‘隼鳥’等探測(cè)器相同大小的太空艙送回地球?！睆腏AXA 對(duì)著陸器的描述中可以看出，該著陸器是一型試驗(yàn)性質(zhì)較強(qiáng)的著陸器，其主要目的并非攜帶大量科學(xué)儀器對(duì)著陸區(qū)域進(jìn)行科學(xué)探查，而是對(duì)其高精度著陸能力進(jìn)行研制，并試圖在成功后將其推廣到其他著陸器上。如果其運(yùn)用的高精度著陸技術(shù)成功得到驗(yàn)證，那么以后使用這種技術(shù)的著陸器對(duì)落區(qū)范圍的選定將會(huì)大大拓寬，并且更容易在一些以往難以著陸的地方著陸。JAXA 認(rèn)為，SLIM 著陸器若成功，將會(huì)帶來一種可在其他比月球環(huán)境更為惡劣的行星上進(jìn)行作業(yè)的小型平臺(tái)。

SLIM 著陸器也需要對(duì)其著陸范圍進(jìn)行探查，其預(yù)定著陸地點(diǎn)為月球南半球酒海區(qū)域的一個(gè)撞擊坑。此處環(huán)境較為復(fù)雜，大概率會(huì)降落在一個(gè)有傾角的斜坡上，因此對(duì)著陸器的避障能力和著陸精準(zhǔn)度提出了更高要求。SLIM 著陸器將攜帶多波段相機(jī)和光譜相機(jī)來檢查表面成分，助力對(duì)月球起源等課題展開研究。由于其內(nèi)部并不攜帶核熱裝置來保持內(nèi)部溫度，因此其任務(wù)周期很短，持續(xù)時(shí)間預(yù)計(jì)只有其著陸后剩下的月晝時(shí)間。

▲ 日本H-2A 火箭將XRISM 望遠(yuǎn)鏡和SLIM 月球著陸器成功發(fā)射

▲ SLIM 著陸器落月渲染圖

著陸器的結(jié)構(gòu)

SLIM 著陸器是一個(gè)非常小的著陸器。從其正面看，長2.4 米，寬2.7米，高1.7 米，著陸器干重200 千克，發(fā)射質(zhì)量在700 千克左右。

▲ 500 牛發(fā)動(dòng)機(jī)

▲ 20 牛發(fā)動(dòng)機(jī)

著陸器的推進(jìn)系統(tǒng)由14 個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)組成。主發(fā)動(dòng)機(jī)為2 個(gè)500 牛的變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，用于著陸器在飛行過程中的加速、剎車與姿態(tài)控制；12 個(gè)20 牛發(fā)動(dòng)機(jī)用來輔助主發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整著陸器的姿態(tài)，調(diào)整著陸器的俯仰與滾轉(zhuǎn)姿態(tài)。

推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)部的單個(gè)大燃料罐值得一提。它被設(shè)計(jì)為整個(gè)著陸器的主要結(jié)構(gòu)，內(nèi)部由聚四氟乙烯制成的薄膜將氧化劑與還原劑分隔開，使用復(fù)合材料來打造中部外殼。在整個(gè)著陸器的結(jié)構(gòu)中，燃料罐不但被用于儲(chǔ)存發(fā)動(dòng)機(jī)使用的自燃常溫燃料，還被當(dāng)作著陸器的主要結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了“一舉兩得”的效果。

▲ 被作為核心結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)罐

▲ 夏普公司提供的太陽能電池

著陸器的電力系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單。電力完全來自于其覆蓋在著陸器正上方的太陽能電池。太陽能電池的基質(zhì)為輕質(zhì)透明薄膜。著陸器上的所有太陽能電池都由夏普公司提供，這些輕型太陽能電池效率據(jù)稱能達(dá)到32.65%的轉(zhuǎn)化效率，能在日照時(shí)為著陸器提供充足的電能。著陸器同時(shí)還使用了新型鋰離子電池。著陸器的電力分配由安裝在內(nèi)部的綜合電力控制單元控制，可控制鋰離子電池的充電和放電、太陽能發(fā)電的調(diào)節(jié)等。

著陸器的導(dǎo)航控制與通信部分由以下幾個(gè)部分組成：

綜合控制計(jì)算機(jī)。它控制著陸器內(nèi)的所有電子設(shè)備，也用于在著陸時(shí)分析數(shù)據(jù)處理，向著陸器各個(gè)部分發(fā)出正確信號(hào)以完成著陸。

著陸雷達(dá)。它會(huì)在著陸前開始工作，將在著陸器著陸前向月球表面發(fā)射微波并通過反射回微波的往返時(shí)間來為計(jì)算機(jī)提供著陸器高度數(shù)據(jù)。

激光距離測(cè)量器。這是一種光敏感器，用于在著陸前測(cè)量高度。它用于接收從月球表面反射的調(diào)制激光，并根據(jù)其相位計(jì)算距離。它的特點(diǎn)是緊湊和輕便。

導(dǎo)航相機(jī)。用于在著陸階段對(duì)月球表面進(jìn)行成像。它可以同時(shí)輸出用于基于視覺的導(dǎo)航的未壓縮圖像和用于下行鏈路將信號(hào)返回地球的壓縮圖像。兩個(gè)攝像頭安裝在不同的方向，分別在動(dòng)力下降和垂直下降階段使用。通信部分著陸器使用一個(gè)S 波段信號(hào)收發(fā)器來作為與地面溝通的手段。

著陸器的著陸機(jī)構(gòu)是SLIM 著陸器的一個(gè)亮點(diǎn)。SLIM 著陸器將使用一個(gè)頗為新穎的方式來進(jìn)行著陸。它將在離月表15 千米左右時(shí)開始進(jìn)行降落操作。在此過程中，導(dǎo)航相機(jī)和雷達(dá)將會(huì)對(duì)高度和地形進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，盡量維持高度，此時(shí)著陸器的姿態(tài)為橫躺；在接近預(yù)定落區(qū)時(shí)，著陸器將會(huì)逐漸將姿態(tài)轉(zhuǎn)為豎直，通過發(fā)動(dòng)機(jī)的剎車制動(dòng)減少著陸器在豎直和水平方向上的速度，直到水平速度為0，然后控制著陸器緩慢下降。在離地面高度為7 千米時(shí)，著陸器會(huì)繼續(xù)垂直下降，直到離地面只有數(shù)十米左右時(shí)，著陸器腹部對(duì)向月表，然后通過點(diǎn)燃兩個(gè)20 牛發(fā)動(dòng)機(jī)將著陸器頭部拉高，讓著陸器主腿（有三個(gè)接地點(diǎn)的一側(cè)）先接地，然后在引力作用下讓前腿再著地，完成著陸。

采用這一套著陸器系統(tǒng)的好處是，可以省去大量原本著陸器應(yīng)該攜帶的緩沖機(jī)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)這一套操作，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在著陸器上使用了一套在過去著陸器上從未見過的“材料緩沖機(jī)構(gòu)”。著陸器上總共有5 個(gè)與月表接觸的受力點(diǎn)，在這5 個(gè)受力點(diǎn)上，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)各放上了一個(gè)由鋁合金編織成的球狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部呈晶體結(jié)構(gòu)，在受到外部沖擊后這5 個(gè)結(jié)構(gòu)會(huì)在外部壓力作用下向內(nèi)部收縮，吸收撞擊帶來的沖擊。由于著陸器本身重量不大，著陸腿本身不帶有緩沖結(jié)構(gòu)，整個(gè)著陸結(jié)構(gòu)的重量相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，既減少了成本又減少了重量。

雙子可移動(dòng)裝置

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在SLIM 著陸器這個(gè)迷你的體型上安裝了兩種十分特別的超小型月球車。不過根據(jù)它們的移動(dòng)方式和功能，叫它們移動(dòng)裝置更為妥當(dāng)。

▲ SLIM 著陸器著陸過程示意圖

▲ SLIM 著陸器著陸過程具體分解圖

▲ 安裝于著陸器底部的鋁金屬結(jié)構(gòu)

一個(gè)是月球移動(dòng)裝置1 號(hào)，重量約2.1 千克，尺寸為26 厘米x40 厘米x30 厘米。這是一個(gè)具有彈跳能力的小東西，其重心集中于頭部，可以通過電動(dòng)彈跳裝置的支撐與地面之間構(gòu)成一個(gè)三角形。通過設(shè)計(jì)，它在彈跳后，一定能保持頭朝上的狀態(tài)。它上面裝有溫度計(jì)以測(cè)量月表溫度；裝有輻射檢測(cè)儀以監(jiān)測(cè)月表輻射水平；還有傾角儀用來測(cè)量其所在月表的傾斜狀態(tài)；加速度計(jì)用于測(cè)量其彈起時(shí)受到的重力加速度；攝像頭可用于探查周圍情況。其上搭載的設(shè)備可以與地球直接通訊，在頂部有太陽能電池來提供電力，預(yù)計(jì)可在月表活動(dòng)40分鐘以上。

另一個(gè)是月球移動(dòng)裝置2 號(hào)，重量約200 克，尺寸為接近80 毫米的球形。整個(gè)裝置的尺寸大小和棒球差不多。它通過爬行來移動(dòng)其位置，但是與其他采用輪子的月球車不同，它通過改變自身的形狀并旋轉(zhuǎn)分為兩邊的半球來在月表移動(dòng)，只搭載了兩個(gè)攝像頭來檢測(cè)前后環(huán)境，預(yù)計(jì)能在月表活動(dòng)2 小時(shí)左右。該移動(dòng)裝置結(jié)合了一些兒童玩具的變形設(shè)計(jì)。日本玩具開發(fā)商TOMY 參與研發(fā)了該移動(dòng)裝置采用的小型化、輕量化技術(shù)和變形機(jī)構(gòu)。

月球遠(yuǎn)征軍中的一員

SLIM 著陸器與印度的“月船3 號(hào)”著陸器同樣采用了低能量轉(zhuǎn)移軌道，其轉(zhuǎn)移過程將會(huì)耗時(shí)3～4 個(gè)月。在成功進(jìn)入月球軌道后，按照計(jì)劃，它將在月球軌道上再停留約1 個(gè)月的時(shí)間，再在之后1～2 個(gè)月中伺機(jī)著陸。著陸時(shí)間預(yù)計(jì)為2024 年1 月或2 月。

▲ 月球移動(dòng)裝置1 號(hào)

▲ 月球移動(dòng)裝置2 號(hào)

▲ 月球移動(dòng)裝置2 號(hào)展開渲染圖

從所搭載的科學(xué)儀器數(shù)量上來看，很明顯，該著陸器的主要目的是驗(yàn)證高精度著陸技術(shù)，科研探測(cè)并不是其主要任務(wù)。著陸器帶來的科學(xué)價(jià)值并不大，不過其發(fā)射本身就是一件頗有意義的事——21 世紀(jì)的月球大探索時(shí)代真的要來了。

2023 年確實(shí)可以被稱為月球探測(cè)大年，截至9 月份，已經(jīng)有來自印度、俄羅斯和日本3 個(gè)國家的月球著陸器前往月球。其中，俄羅斯的月球25 號(hào)著陸器不幸地因故障在著陸前就墜毀于月球表面，但是印度的“月船3 號(hào)”則完美地成功著陸，在中國“嫦娥三號(hào)”成功著陸約10 年后成為第四個(gè)成功軟著陸月球的國家。而在今年預(yù)計(jì)還會(huì)有兩個(gè)來自美國的月球著陸器前往月球，一個(gè)是由“直覺機(jī)器”公司所研發(fā)的“新星-C”著陸器執(zhí)行的IM-1 任務(wù)，另一個(gè)是由“天體機(jī)器人”公司研發(fā)的“游隼”著陸器執(zhí)行的“任務(wù)一”任務(wù)。這樣的月球探測(cè)器發(fā)射密度是過去從未有過的。

而接下來的2024 年將要發(fā)射的月球著陸器數(shù)量更為驚人。除我國將在2024 年執(zhí)行“嫦娥六號(hào)”月球南極樣本返回任務(wù)以外，來自美國和日本的月球探測(cè)任務(wù)可能達(dá)到十個(gè)甚至更多。這樣的任務(wù)密度在上個(gè)世紀(jì)美蘇太空競(jìng)賽的巔峰時(shí)期也是難以想象的。在太空競(jìng)賽結(jié)束約半個(gè)世紀(jì)后，月球再一次成為了焦點(diǎn)。