日本公布登月器實拍照：發(fā)動機噴管砸向月面，卻刷新三項世界紀錄

日本SLIM探月智能著陸器實施登月行動后的結(jié)果這幾天一直是撲朔迷離，這臺著陸器在實現(xiàn)約2小時的通信后被迫斷電關(guān)機，原因是太陽能電池板無法發(fā)電，蓄電池電量持續(xù)降低，這幾天大家都在猜測這臺著陸器的命運，根據(jù)遙測數(shù)據(jù)推定它可能是以倒栽蔥式的姿態(tài)著陸月面。

終于，在SLIM登陸月面后的第6天，日本JAXA公布了月面實拍圖像，以及一系列工程成果。

首先是實錘SLIM以倒栽蔥式姿態(tài)著陸月面，照片是由主著陸器釋放的LEV-2可變形月球機器人拍攝。

LEV-2拍攝的SLIM探月智能著陸器

根據(jù)實拍圖像顯示，陰影區(qū)正好位于太陽能電池板一側(cè)，也就是說此時無法接收光照，無法發(fā)電，他們在等待太陽照射方向的轉(zhuǎn)移，隨著時間的推移，太陽能電池板會逐漸接收到光照，而且光照量也會越來越大，這就存在著陸器重新恢復發(fā)電的可能，而且著陸器在斷電關(guān)機前為蓄電池留存了12%的電量，避免了過放電問題。

太陽能電池板安裝位置

雖然是倒栽蔥式著陸，但SLIM并沒有完全摔壞，不僅可以與地球通信，而且著陸器配置的導航相機與多光譜相機也實現(xiàn)了開機運行，成功獲取了月面圖像。

左側(cè)是導航相機拍攝的月面圖，中間和右側(cè)圖是多光譜相機拍攝的月

就這點來看，SLIM的月面著陸標準已經(jīng)高于半個世紀前蘇聯(lián)的火星三號探測器，后者在著陸火星表面后僅實現(xiàn)了14.5秒的數(shù)據(jù)傳輸，連一張圖都沒有，但人們?nèi)詫⑵湟暈橐淮纬晒Φ幕鹦潜砻孳浿懭蝿铡?/p>

LEV-2拍攝的著陸器圖像其實已經(jīng)證明刷新了兩項世界紀錄，首先是LEV-2本身，在部署展開之前它是一個球形裝置，外觀看上去很像是日本動漫神奇寶貝中的精靈球，由主著陸器在接觸月面之前釋放至月面部署，到達月面后展開，利用兩側(cè)的半球體作為車輪進行移動，而且是自主移動。

LEV-2可變形月球機器人

LEV-2地面展開行駛測試

能夠?qū)手懫鞒上瘢呀?jīng)證明LEV-2實現(xiàn)了月面行駛移動，而這臺可變形月球機器人的重量僅有0.25公斤，因此它成為了人類有史以來部署月面最小的月球車，除了這項世界紀錄，由此產(chǎn)生的還有一個世界紀錄。

LEV-2由于自身重量極為有限，不具備與地球直接通信功能，所以它所拍攝的圖像數(shù)據(jù)，是由另一臺超小型月面移動探測機器人LEV-1進行接力中繼傳輸，這是世界首次在月面實現(xiàn)多臺機器人的自主聯(lián)網(wǎng)通信。

LEV-1不同于LEV-2，前者是一臺基于跳躍功能的月面移動探測裝置，目前這臺裝置是否實現(xiàn)了月面跳躍行進功能尚不得而知，但它實現(xiàn)了跨越38萬公里的地月直接通信功能。

SLIM在著陸月面前分離LEV-1與LEV-2

LEV-2地面跳躍測試，它配置有獨立的地月通信模塊。

LEV-1與LEV-2可以在月面進行聯(lián)網(wǎng)通信，圖為CG圖。

在此之前，比如我國的嫦娥四號著陸器與玉兔二號月球車，皆具備相互獨立的通信功能，當然并不是說我們沒有開發(fā)這項功能的能力，而是任務設計不同所致，我們的月球車是要駛向遠方的，當然需要獨立的通信功能。

萌萌的玉兔二號歪頭照，這是在與鵲橋號中繼星進行通信。

事實上，早在天問一號任務時期，我們就已經(jīng)實現(xiàn)了在火星表面的多器聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸功能，比如由分離相機拍攝的祝融號火星車與著陸平臺的合影照片，就是由分離相機自主傳輸至祝融號火星車，再由火星車上傳至環(huán)火軌道的環(huán)繞器，再回傳地球。

由分離相機拍攝的，命名為“星火燎原”的天問一號著巡合影照。

祝融號火星車釋放的“分離相機”，可與祝融號進行火面聯(lián)網(wǎng)通信。

接下來就要談談日本SLIM探月智能著陸器刷新的第三個世界紀錄，這項紀錄是此次登月的核心任務，也是最有價值的一個紀錄，就是實現(xiàn)了100米以內(nèi)偏差的著陸精度。

日本SLIM探月智能著陸器的實際著陸點與預設著陸點的偏差僅有55米，此為當前世界范圍內(nèi)最高登月位置精度。與之對比，嫦娥三號的位置偏差約600米，嫦娥四號的位置偏差是千米量級，嫦娥五號的位置偏差是2.33公里，印度月船三號的位置偏差約360米。

嫦娥五號之后的印度月船三號與日本SLIM的著陸點偏差數(shù)值大幅下降，基本實現(xiàn)了定點著陸功能，這是因為后兩個著陸器都應用了基于圖像匹配技術(shù)的地形相對導航功能。

印度月船三號著陸器

地形相對導航指的是，預先在著陸器內(nèi)存儲下降航跡下方的導航點月面圖像，著陸器在下降過程中實拍月面圖像，再將實拍月面圖與存儲月面圖進行匹配對比，進而解算出瞄準預選著陸點的正確下降彈道，并控制反推發(fā)動機朝向預選著陸點飛行。

地形相對導航技術(shù)演示動畫

JAXA公布了一張很有分析價值的圖片，這張圖是由印度月船二號軌道器相機拍攝的高分辨率月面圖疊加日本SLIM拍攝的月面圖拼合而成。

圖中兩個藍色框是SLIM在50米高度懸停時拍攝用于識別月面障礙物的圖像，圖中的紅框區(qū)域是SLIM選定的安全著陸區(qū)及安全著陸點，在進行最后一次障礙物識別時的位置偏差僅有約10米，這才是用于評估著陸精度的數(shù)據(jù)。

通過這張疊加圖可以很直觀地認識到一點，就是環(huán)月軌道遙感衛(wèi)星拍攝的圖片，并不足以識別所有障礙，印度月船二號軌道器搭載的高分相機的分辨率達到了0.3米，是目前人類部署環(huán)月軌道分辨率最高的高分相機，比NASA的LRO月球勘測軌道飛行器的LROC窄視角相機的0.5米分辨率還要高。

印度月船2號軌道器拍到的阿波羅12號登月遺跡

在最后下降過程中必然需要著陸器自主進行障礙識別，并進行機動飛行，所以必然與預選著陸點有偏差。

如果一切正常的情況下，日本SLIM其實可以有更高的著陸精度，也就是前面說的僅有約10米的位置偏差，為什么沒有實現(xiàn)呢？

因為SLIM在距離月面約50米高度時推力突然驟降55%，這又是為什么呢？

SLIM拍攝的另一張圖像給出了答案，這個答案看起來還頗為有趣，著陸器兩臺主發(fā)動機的其中一臺的噴管掉落在了月面上，一臺發(fā)動機完全失效，從實拍月面圖上可以看到，除了主發(fā)動機噴管，還有一些其它零件，在太陽照射下形成了亮斑。

因此，即便SLIM選擇了位置偏差最小的安全著陸點，但由于大幅喪失推力，導致不可避免的拉大了偏差。

不過值得一提的是，雖然失去了一臺主發(fā)動機，但著陸器的飛控系統(tǒng)是正常的，在僅有一臺主發(fā)動機的情況下，姿控發(fā)動機保持了著陸器的垂直下降姿態(tài)，而且控制著僅剩的一臺主發(fā)動機實現(xiàn)了1.4米/秒的接地速度，完全在軟著陸設計值范圍內(nèi)，而且還實現(xiàn)了避障機動飛行。

SLIM著陸緩沖設計比較特殊，需要著陸器在距離月面約3米時以傾倒姿態(tài)著陸，便于布置在著陸器側(cè)面的著陸緩沖機構(gòu)吸收最后的著陸沖擊能量，也正因為一臺發(fā)動機失效，導致在進行傾倒動作時側(cè)向速度過大，最終以倒栽蔥式的非正常姿態(tài)著陸。

SLIM就敗在了這最后一摔

不得不說，還得是有圖才有真相，此前筆者以為是著陸緩沖機構(gòu)沒有正常發(fā)揮，以及月面超預期的復雜地形，才導致SLIM的非正常姿態(tài)著陸，但實際上主要是因為一臺主發(fā)動機故障。

現(xiàn)在基本可以給SLIM的著陸成績打分了，JAXA為此次登月任務給出了三個層次的成功定義：

最小成功：實現(xiàn)月面軟著陸，基于機器視覺導航的自主避障技術(shù)得到驗證；

全部成功：不僅實現(xiàn)月面軟著陸，而且實現(xiàn)了基于圖像匹配導航的高精度著陸，著陸位置偏差控制在100米以內(nèi)；

超額成功：在實現(xiàn)高精度著陸的基礎(chǔ)上，探測器搭載的科學探測載荷成功運行一個月晝。

就實際表現(xiàn)來看，月面軟著陸目標是部分實現(xiàn)，基于圖像匹配導航的高精度著陸任務實現(xiàn)，位置偏差成功控制在100米以內(nèi)，但未能實現(xiàn)著陸月面后工作一個月晝的目標，滿分100分的話，實際表現(xiàn)也就是60分，可以及格。

SLIM的著陸緩沖裝置未能發(fā)揮作用（紅圈）

SLIM著陸緩沖裝置測試影像

日本SLIM的登月任務表現(xiàn)證明了什么是“基礎(chǔ)不牢，地動山搖。”。首先SLIM配置的2臺500N發(fā)動機變推力能力有限，通過登月直播畫面可知，SLIM的下降速度控制主要是通過500N發(fā)動機以類似姿控發(fā)動機的脈沖功能實現(xiàn)，即在開機動作與關(guān)機動作之間的快速交替，有點像車輛以高速狀態(tài)行駛過程中的“點剎”動作。

SLIM探月智能著陸器的500N主發(fā)動機

也就是這種快速的開機與關(guān)機動作，直接導致了主發(fā)動機的可靠性先天不足。

與之對比，助力我國嫦娥系列著陸器三次登月三次成功的地外天體著陸用金牌動力7500N變推力發(fā)動機，不僅最大推力是日本SLIM主發(fā)動機的15倍，還能實現(xiàn)16%至110%推力變化，不僅能夠滿足月球登陸任務，稍加改動也勝任火星登陸任務，天問一號成功登陸火星已經(jīng)給出證明。

7500N變推力發(fā)動機

嫦娥四號的7500N變推力發(fā)動機

月球版7500N變推力發(fā)動機（左）與火星版7500N變推力發(fā)動機（右）

沒有關(guān)鍵技術(shù)的突破，就不能收獲更長遠的效益，日本SLIM探月智能著陸器連一個月晝的工作時間都不能達成，完全沒有過月夜能力。

與之對比，嫦娥三號著陸器運行十年之久還有科學載荷可以工作，嫦娥四號著陸器與月球車運行至今也已有五年，玉兔二號已經(jīng)成為人類部署月面正常開展移動探測時間最長的月球車，收獲了大量的科學探測數(shù)據(jù)，接下來嫦娥七號的設計壽命就能達到8至10年，實際壽命則更長。

嫦娥系列著陸器是首創(chuàng)基于機器視覺導航的自主避障技術(shù)，尤其是激光三維成像敏感器這項核心技術(shù)，不論是日本的SLIM還是印度的月船三號都在模仿此項技術(shù)。

嫦娥系列著陸器對月面激光三維成像障礙識別效果圖

嫦娥三號月空懸停

日本、印度引以為傲的高精度著陸技術(shù)對于我們而言只是選擇何時去做的問題，早在嫦娥四號任務時期，我們就已經(jīng)考慮過這項技術(shù)。

當時有專家建議，嫦娥四號以高精度著陸的方式降落在嫦娥三號旁邊，可以向世界展示我們的著陸精度控制能力，但是經(jīng)過權(quán)衡，專家團隊認為，嫦娥三號著陸區(qū)域已經(jīng)進行過探測，再讓嫦娥四號去重復探測，科學價值不高，最終我們選擇了人類從未實現(xiàn)月面探測的月球背面。基于任務需求，我們將高精度著陸任務留給了嫦娥七號。

七八年前我們就有條件實現(xiàn)高精度的“定點著陸”，圖為玉兔號月球車拍攝的嫦娥三號著陸器。

嫦娥七號一出世就將挑戰(zhàn)最高難度的月球南極著陸任務，它不僅僅是驗證100米以內(nèi)的高精度著陸技術(shù)，而是首次使用此項技術(shù)就是“實戰(zhàn)”，因為月球極區(qū)的太陽高度角極低，月面的光照區(qū)與陰影區(qū)連續(xù)交替變化，如果不能在正確的時間高精度著陸光照區(qū)，就意味著任務的失敗，不像日本SLIM與印度月船三號的技術(shù)驗證性質(zhì)，即便不能實現(xiàn)高精度著陸，只要實現(xiàn)軟著陸也可成功，這就是為什么說嫦娥七號首次應用高精度著陸技術(shù)就是“實戰(zhàn)”。

月球南極及嫦娥七號的預選著陸點

之所以敢于這樣去做，是因為我們的技術(shù)基礎(chǔ)足夠扎實，比如嫦娥系列著陸器的基于機器視覺導航的一系列控制產(chǎn)品更便于移植基于地形相對導航的高精度著陸控制設備，金牌動力7500N變推力發(fā)動機屆時也會更加成熟可靠，在實施登月前，嫦娥七號軌道器還有自己的高分辨率相機進行實時拍攝，這就是“工欲善其事必先利其器”。