肖武平 （北京空間科技信息研究所）

2023 年9 月7 日，日本在種子島航天中心使用H-2A 火箭成功發(fā)射“小型月球探測著陸器”（SLIM），將演示驗(yàn)證高精度月面軟著陸。該任務(wù)是日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）研制的小型、低成本任務(wù)，成本約180 億日元（約合1.4 億美元）。除實(shí)現(xiàn)工程、科學(xué)目標(biāo)外，JAXA 還希望通過SLIM 的小型化、低成本技術(shù)對私營企業(yè)開展商業(yè)月球探測提供幫助。

1 任務(wù)背景

SLIM 任務(wù)是日本政府實(shí)施的第3 次月球探測任務(wù)，以及首次月球軟著陸任務(wù)。此前，日本政府曾于1990 年和2007 年分別發(fā)射了月球環(huán)繞任務(wù)——“飛天”（HITEN）和“月女神”（SELENE）。在發(fā)射“月女神”軌道器后，JAXA 為了繼續(xù)推動(dòng)月球探測任務(wù)，推進(jìn)“月女神”的后繼計(jì)劃——月女神-2 和月女神-3，分別進(jìn)行月球表面軟著陸和采樣返回任務(wù)。由于使用自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行月球著陸存在通信延遲等技術(shù)難題，為了分散風(fēng)險(xiǎn)，JAXA 決定首先研制進(jìn)行軟著陸的工程試驗(yàn)探測器月女神-B（SELENE-B）。然而，由于成本效益問題，日本宇宙工學(xué)委員會(huì)于2015 年否決了月女神-B 提案，并由JAXA 制定了成本更低的SLIM 方案。

SLIM 屬于JAXA 中型科學(xué)及深空探測任務(wù)（從研制到發(fā)射跨度為3 年），最初計(jì)劃于2018 年使用“艾普斯龍”（Epsilon）小型固體火箭發(fā)射。此后由于多重原因，SLIM 被推遲至2023 年才發(fā)射。

2 任務(wù)基本情況

任務(wù)目標(biāo)

（1）科學(xué)目標(biāo)

SLIM 任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)是探尋月球形成的起源。一種理論認(rèn)為月球是由巨大撞擊形成，如果這種假說成立，月幔的大部分成分應(yīng)與地球相似。一些月球內(nèi)部物質(zhì)由于隕石撞擊飛逸并暴露在隕石坑內(nèi)部和周圍?！霸屡瘛钡闹匾l(fā)現(xiàn)之一就是曾在月表發(fā)現(xiàn)了月幔物質(zhì)暴露的地點(diǎn)，并且據(jù)推測，此處的巖石含有被認(rèn)為是月幔物質(zhì)的橄欖石。橄欖石是一種在原始月球仍處于高溫和熔融狀態(tài)時(shí)由于其高比重而沉入月幔的物質(zhì)。橄欖石分布在隕石坑口附近，通過對橄欖石的研究，并將其成分與地球上的成分進(jìn)行比較，有助于探索月球形成和演化的過程。SLIM 將精確著陸在布滿橄欖石的區(qū)域，對橄欖石的組成進(jìn)行研究。

（2）工程目標(biāo)

SLIM 任務(wù)的工程目標(biāo)是通過小型探測器來驗(yàn)證未來探測月球所需的高精度著陸技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，將主要驗(yàn)證以下3 項(xiàng)技術(shù)。

1）方位自主識(shí)別技術(shù)。在實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)著陸前，探測器需要精確判斷自身所在位置。SLIM 采用與人臉識(shí)別技術(shù)相近的“圖像匹配導(dǎo)航技術(shù)”，通過處理攝像頭拍攝的圖像，可以識(shí)別隕石坑，并將其與內(nèi)置的月球地圖進(jìn)行比對，高精度地測定自身位置。此外，由于嚴(yán)酷的空間環(huán)境，星載計(jì)算機(jī)處理能力有限，研究人員通過研發(fā)高效率的圖像處理算法，實(shí)現(xiàn)了識(shí)別精度和處理時(shí)間的雙重平衡。

2）復(fù)雜地形著陸技術(shù)。為了不斷拓展科學(xué)探測，未來不僅需要探測器在月球平原區(qū)域著陸，還需要在斜坡等更復(fù)雜的地形上著陸。例如，為了進(jìn)行隕石坑的地質(zhì)調(diào)查，需要在傾斜的地形進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查。SLIM 將驗(yàn)證適合在傾斜陸地著陸使用的著陸方式和著陸腿。

3）小型化、低成本技術(shù)。JAXA 期望通過小型化、低成本技術(shù)對私營企業(yè)商業(yè)月球探測提供幫助。著陸器通過緊湊、簡約的整體設(shè)計(jì)、3D 打印技術(shù)以及先進(jìn)的電池材料技術(shù)等將探測器凈質(zhì)量控制在200kg左右。

系統(tǒng)組成

SLIM 凈質(zhì)量僅約為200kg，發(fā)射質(zhì)量約為700 ～730kg，高2.4m、寬2.7m、長1.7m。為了盡可能減輕整體質(zhì)量，著陸器采用燃料貯箱和氧化劑貯箱一體式箱式結(jié)構(gòu)，并將其作為整個(gè)探測器的主體結(jié)構(gòu)。一體式箱式結(jié)構(gòu)干質(zhì)量約為40kg，主體材料使用鈦鋁釩合金（Ti-6Al-4V），中間部分外側(cè)包覆碳纖維增強(qiáng)聚合材料（CFRP），確保耐壓強(qiáng)度的同時(shí)減少重量和厚度。

著陸器下方不同方向安裝了兩臺(tái)導(dǎo)航用相機(jī)，分別在動(dòng)力下降和垂直下降階段使用，可以同時(shí)輸出用于圖像匹配的非壓縮圖像和用于數(shù)據(jù)下行的壓縮圖像。在垂直下降階段使用微波雷達(dá)測量相對于月面的高度和速度，測量范圍為數(shù)公里至數(shù)十米，在更接近月面的階段使用激光測距儀測距。

SLIM 結(jié)構(gòu)圖

SLIM 的著陸腿是專為“二步式著陸”設(shè)計(jì)。著陸器共安裝了5 條著陸腿，主著陸腿安裝在著陸器下部變軌發(fā)動(dòng)機(jī)旁邊，將在著陸時(shí)最先接觸月面；安裝在中隔板兩側(cè)的兩條著陸腿被稱為“中隔板著陸腿”，較其他著陸腿略高，防止在第二步著陸時(shí)由于橫向速度過大而發(fā)生側(cè)翻；另外兩條著陸腿安裝在著陸器頂部的整流罩連接環(huán)兩側(cè)，被稱為“前輔助著陸腿”。

有效載荷

為實(shí)現(xiàn)任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)——探尋月球形成的起源，SLIM 搭載了多光譜相機(jī)（MBC）和“小型登月機(jī)器人”（LEV）兩種載荷。

（1）多光譜相機(jī)

多光譜相機(jī)通過對著陸地點(diǎn)附近橄欖石的反射光進(jìn)行光譜劃分確定其成分。SLIM 在著陸后將無法移動(dòng)，MBC 配備了自動(dòng)對焦系統(tǒng)和指向鏡，可以在有限的視野范圍內(nèi)仔細(xì)觀察不同位置的巖石樣本。此次是日本首次嘗試將自動(dòng)對焦系統(tǒng)安裝在用于行星探測的近紅外光譜相機(jī)中。

（2）“小型登月機(jī)器人”

“小型登月機(jī)器人”由JAXA 與日本多所大學(xué)聯(lián)合研制，以履行“去想去的地方，做想做的事情”的目標(biāo)，通過觀測補(bǔ)充探測器的數(shù)據(jù)?！靶⌒偷窃聶C(jī)器人”由LEV-1 和LEV-2 組成，具有不同功能。SLIM 在下落過程中距月面約1.8m 高度時(shí)，兩個(gè)機(jī)器人與SLIM 分離，并落在月球表面。

LEV-1 使用的通信模塊

LEV-1 結(jié)構(gòu)圖

LEV-2 變形前、后示意圖及地面行走測試

多光譜相機(jī)主要性能指標(biāo)

“小型登月機(jī)器人”著陸及運(yùn)行方式示意圖

1）LEV-1

LEV-1質(zhì)量為2.1kg，尺寸為26cm×40cm×30cm，活動(dòng)時(shí)長為40min 以上。通過動(dòng)量儲(chǔ)能裝置和轉(zhuǎn)向輪，LEV-1 可以實(shí)現(xiàn)朝任意方向跳躍移動(dòng)，穿越不平整的地形和崖壁等障礙。其上搭載了三軸加速度計(jì)、溫度計(jì)、輻射監(jiān)測器、陀螺儀等記錄著陸條件的多種傳感器，用于記錄自由下落高度、著陸沖擊加速度、月面硬度、地面坡度等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在著陸時(shí)即將數(shù)據(jù)傳回地球。此外，它還配備了2 個(gè)攝像頭，用于拍攝著陸器及其周圍的圖像，可自主評估圖像的質(zhì)量，在移動(dòng)探測過程中將數(shù)據(jù)發(fā)送到地球。

LEV-1 使用的通信模塊質(zhì)量僅90g，尺寸為60mm×40mm×25mm，最大功率為7.5W，攜帶S頻段和UHF 頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，可與JAXA、美國國家航空航天局（NASA）的地面站以及無線電愛好者間進(jìn)行通信。

2）LEV-2

LEV-2 質(zhì)量為0.25kg，直徑為80mm，配有帶減震裝置的車輪，可以向任意方向轉(zhuǎn)向和移動(dòng)，能夠穿越狹窄的位置和復(fù)雜的地形。此外，LEV-2 還可作為分離相機(jī)使用，從LEV-1 分離后，將拍攝到的探測器本體和周邊圖像通過藍(lán)牙設(shè)備發(fā)送至LEV-1。

任務(wù)過程

此次任務(wù)預(yù)計(jì)從發(fā)射至到達(dá)月球軌道將用時(shí)3 ～4 個(gè)月，在月球軌道上停留約1 個(gè)月，目前計(jì)劃于2024 年2 月進(jìn)行著陸。SLIM 在發(fā)射44min2s 后與火箭分離，進(jìn)入575km×98000km的月球轉(zhuǎn)移軌道，此后將利用月球引力和太陽潮汐力的兩次借力變軌的方式。第一次借力是在繞地球軌道飛行時(shí)進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)，當(dāng)遠(yuǎn)地點(diǎn)接近月球軌道的距離時(shí)，利用月球的引力提升遠(yuǎn)地點(diǎn)高度進(jìn)行變軌；第二次借力是當(dāng)SLIM掠過月球時(shí)，利用太陽潮汐力到達(dá)與月球的交會(huì)點(diǎn)。

在著陸程序啟動(dòng)前，探測器在600km×15km 的月球橢圓軌道上運(yùn)行。在該軌道上，地面站將SLIM 的軌道和位置發(fā)送至SLIM，SLIM 根據(jù)這些信息，在距離月面15km 高度開啟主發(fā)動(dòng)機(jī)反向點(diǎn)火并切換至著陸程序。著陸程序的第一階段是動(dòng)力下降階段，距月表15 ～3.5km，在該階段，發(fā)動(dòng)機(jī)4 次反向點(diǎn)火、每次約50s 的滑行周期，在此期間將調(diào)整相機(jī)朝向，對準(zhǔn)月球表面，使用相機(jī)拍攝月表，通過圖像高精度估算其所在的位置和速度，同時(shí)重新設(shè)計(jì)朝向著陸點(diǎn)的軌道。SLIM將通過這種自動(dòng)控制方式到達(dá)著陸點(diǎn)上方。第二階段是垂直下降階段，距月表3.5km ～0m，SLIM 到達(dá)著陸點(diǎn)上方后就幾乎垂直下降，同時(shí)用雷達(dá)探測高度，到達(dá)300m 左右時(shí)，進(jìn)行“障礙物檢測”，并根據(jù)著陸器正下方障礙物情況進(jìn)行水平位置微調(diào)。距月表約3m 時(shí)，探測器會(huì)在控制姿態(tài)的同時(shí)關(guān)閉主發(fā)動(dòng)機(jī)并著陸。

通過兩次借力變軌的方式到達(dá)月球軌道

SLIM 動(dòng)力下降階段以及垂直下降階段示意圖

為了在著陸時(shí)使著陸器不容易翻倒，SLIM 使用一種稱為“二步式著陸”的全新著陸方式。在接近著陸點(diǎn)時(shí)，通過圖像識(shí)別技術(shù)避開地面上的障礙物，垂直下降到著陸點(diǎn)上方約3m 左右。然后使用位于側(cè)面的發(fā)動(dòng)機(jī)使著陸器姿勢向前傾倒，并保持這種姿勢繼續(xù)下降，直至最下方的主著陸腿觸地。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力仍會(huì)產(chǎn)生向前速度，主著陸腿接地后著陸器仍會(huì)繼續(xù)向前傾倒，最后安裝在著陸器側(cè)面的輔助著陸腿觸地并使姿勢穩(wěn)定，著陸完成。第一步是主著陸腿觸地，第二步是探測器側(cè)面的輔助著陸腿觸地，這種著陸方式被稱為“二步式著陸”。

“二步式著陸”過程

3 任務(wù)特點(diǎn)分析

首次演示驗(yàn)證高精度月面軟著陸

目前，地外天體著陸器尚無在較大的天體表面進(jìn)行優(yōu)于1km 精度著陸的先例，傳統(tǒng)月球著陸器的著陸精度在數(shù)千米到十幾千米之間。小行星采樣返回任務(wù)曾實(shí)現(xiàn)了精確著陸，包括日本的“隼鳥”（Hayabusa）和隼鳥-2 等任務(wù)，但實(shí)施難度完全不同，小行星重力比月球小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，探測器可以緩慢接近并在需要時(shí)重新上升，而月球著陸則需要一次完成，并且著陸過程中探測器調(diào)整軌道的能力有限。SLIM 將全球首次演示驗(yàn)證高精度月面軟著陸技術(shù)，JAXA 希望通過任務(wù)的成功實(shí)施，實(shí)現(xiàn)從“在安全的地方著陸”到“在需要的目標(biāo)地點(diǎn)著陸”的轉(zhuǎn)變。

SLIM 如果成功著陸月球，日本將成為繼蘇聯(lián)、美國、中國、印度之后第五個(gè)在月球?qū)崿F(xiàn)軟著陸的國家。通過實(shí)現(xiàn)月面軟著陸，日本可以展示其在航天科技領(lǐng)域的實(shí)力和技術(shù)水平，增強(qiáng)國際社會(huì)對日本的認(rèn)可。

著陸地點(diǎn)情況復(fù)雜，考驗(yàn)著陸技術(shù)

此次著陸點(diǎn)位于月球赤道南側(cè)名為“酒神之?！保⊿HIOLI）隕石坑的附近區(qū)域?！熬粕裰！睘橐粋€(gè)直徑約300m 的隕石坑，隕石坑內(nèi)及周圍有大量“橄欖石”，適合安全著陸的地點(diǎn)十分有限，以往的月球探測器很難在這種布滿障礙物的區(qū)域著陸，因此要安全著陸需要高精確軟著陸技術(shù)。

為了保證著陸的精確性和安全性，SLIM 采用自主方位識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度測定自身位置，并且通過高效率的圖像處理算法，實(shí)現(xiàn)了識(shí)別精度和處理時(shí)間的雙重平衡；為了適應(yīng)在斜坡等更復(fù)雜的地形著陸，SLIM 使用了新穎的著陸方式和適應(yīng)此著陸方式的著陸腿。

通過多種方式減輕著陸器質(zhì)量

目前，成功進(jìn)行月面軟著陸的探測器均為發(fā)射質(zhì)量大于1t 的探測器。分別于2019 年和2022 年嘗試進(jìn)行月面軟著陸的以色列“創(chuàng)世紀(jì)”（Beresheet，發(fā)射質(zhì)量為585kg）和日本的ispace 公司研制的“白兔-R-M1”（發(fā)射質(zhì)量1000kg）,兩者都在著陸階段以失敗告終。SLIM 發(fā)射質(zhì)量僅約700kg，干質(zhì)量僅約200kg，并且還攜帶了兩個(gè)小型登月機(jī)器人，如任務(wù)成功，SLIM 將成為最小的成功登陸月球的著陸器。

SLIM 主要通過以下4 種方法減輕探測器的整體質(zhì)量：

1）設(shè)計(jì)了利用月球引力和太陽潮汐力的兩次借力變軌的方式，盡可能減少燃料的使用。

2）整體設(shè)計(jì)方面，將燃料貯箱和氧化劑貯箱合為一體，并將一體式儲(chǔ)箱作為整個(gè)航天器的主體結(jié)構(gòu)；將衛(wèi)星的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)的電氣組件集成到“系統(tǒng)集成模塊”（SMU）計(jì)算機(jī)和電源裝置“綜合電控模塊”（IPCU）中，實(shí)現(xiàn)了小型化和節(jié)電的目標(biāo)。

3）專門為“二步式著陸”設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡單、輕質(zhì)的著陸腿。以往的月球著陸器，如“阿波羅”（Apollo）等，大多是通過帶有“關(guān)節(jié)”（連桿機(jī)構(gòu)）的著陸腿來吸收沖擊力，盡管這種方式安全性很高，但會(huì)使著陸器的著陸腿變得復(fù)雜且笨重。SLIM 采用了全新的著陸腿設(shè)計(jì)思路，使用三維堆疊3D 打印制成的簡單多孔結(jié)構(gòu)作為著陸腿的主體材料，多孔結(jié)構(gòu)通過被壓縮來吸收落地時(shí)的沖擊力。

4）使用3D 打印技術(shù)、先進(jìn)的電池材料技術(shù)等減輕著陸器的整體質(zhì)量。采用高效薄膜輕質(zhì)太陽能電池、SUS 層壓型鋰離子二次電池等方法減輕著陸器的整體質(zhì)量。

著陸方式及著陸腿設(shè)計(jì)新穎

“二步式著陸”以及著陸腿的新穎設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)小型化、輕質(zhì)化的同時(shí)，SLIM 兼顧了安全性，具體有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①相比于連桿機(jī)構(gòu)的著陸腿，SLIM 的著陸腿結(jié)構(gòu)簡單且輕質(zhì)；②由于首個(gè)接觸月面的主著陸腿已確定，因此可以僅根據(jù)主著陸腿的受載條件進(jìn)行高強(qiáng)度設(shè)計(jì)，而不需要讓所有著陸腿都具有相同的強(qiáng)度，從而減輕質(zhì)量；③由于著陸器的著陸姿勢是傾斜狀態(tài)，可以使傾斜方向與月面斜坡方向匹配，最大程度減少在斜坡上傾倒的風(fēng)險(xiǎn)（最大可以在15°傾斜面著陸），這種方式更適應(yīng)在斜坡等復(fù)雜地形著陸。

4 幾點(diǎn)啟示

高精度著陸是未來月球探索和人類駐留關(guān)鍵技術(shù)之一

盡管人類已經(jīng)實(shí)施了多次月球探測任務(wù)，使月球成為人類最熟悉的地外天體，然而過往的著陸任務(wù)往往受限于著陸精度的約束，通常選擇在大范圍平坦區(qū)域進(jìn)行著陸，限制了進(jìn)行月球探索的范圍。而隨著月球探測的深入，隕石坑邊緣、布滿障礙物的高科學(xué)價(jià)值區(qū)域已經(jīng)越來越受到科學(xué)家的關(guān)注。這些地區(qū)可能蘊(yùn)藏著更多關(guān)于月球地質(zhì)、地球與月球共同演化以及太陽系早期歷史的寶貴信息。然而，由于這些地區(qū)的地形復(fù)雜性和不規(guī)則性，傳統(tǒng)的著陸技術(shù)很難在這些區(qū)域?qū)崿F(xiàn)精確著陸，因此需要高精度月面軟著陸技術(shù)來克服這一挑戰(zhàn)。同時(shí)，提高月面軟著陸精度，將使多個(gè)任務(wù)可以在互不影響的情況下在同一片高價(jià)值區(qū)域進(jìn)行探測，將促進(jìn)人類的月球探測活動(dòng)。

小型化、低成本技術(shù)對推動(dòng)商業(yè)探測具有重要意義

商業(yè)月球探測的發(fā)展離不開需求的驅(qū)動(dòng)和商業(yè)模式可行性的支持。其中，對于商業(yè)月球探測的需求隨著近年來“阿爾忒彌斯”（Artemis）計(jì)劃和各國政府對月球探測的關(guān)注，正在不斷擴(kuò)展；而商業(yè)模式可行性需要能夠?qū)崿F(xiàn)可盈利的目標(biāo)，各私營企業(yè)在不斷擴(kuò)展服務(wù)類型、增加經(jīng)費(fèi)來源的同時(shí)，也在推動(dòng)低成本技術(shù)的發(fā)展。但小型化和低成本往往會(huì)對設(shè)計(jì)冗余、可靠性帶來不利因素，發(fā)展兼顧安全的小型化、低成本技術(shù)在于推動(dòng)商業(yè)探測發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)。JAXA期望通過SLIM 的小型化、低成本技術(shù)對私營企業(yè)商業(yè)月球探測提供幫助。JAXA 在技術(shù)轉(zhuǎn)移方面進(jìn)行過諸多努力，此前將H-2 火箭的研制和發(fā)射技術(shù)轉(zhuǎn)移至三菱重工業(yè)股份有限公司（Mitsubishi Heavy Industries），將技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證衛(wèi)星-8（ETS-8）轉(zhuǎn)移至三菱電機(jī)株式會(huì)社（Mitsubishi Electric），并將其成功改進(jìn)為目前日本大型衛(wèi)星通用平臺(tái)DS2000。因此，SLIM 驗(yàn)證的相關(guān)技術(shù)有望推動(dòng)日本商業(yè)月球探測的發(fā)展。