隼鳥號小行星采樣返回探測器、隼鳥二號小行星采樣返回探測器、月亮女神號繞月衛星、H-2B運載火箭……這些都是日本航天最具代表性的航天裝備,也正是因為這些成就,在一些國人心目中,日本航天一直有一種不可名狀的光環。
不得不說,日本航天善于投機,他們專門找一些容易而又不受關注的領域發力,投資少見效快,比如小行星采樣返回,還有接下來的火衛一采樣返回。
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隼鳥二號小行星采樣任務畫面
小行星與月球一樣都屬于無大氣星體,前者的登陸行動可以用蜻蜓點水來形容,探測器觸碰小行星表面后即可離開,相較而言,月球的登陸難度顯然更高,對變推力動力系統、障礙識別有更高的要求。
當主要航天強國聚焦有大氣的火星登陸采樣返回任務時,日本航天也要蹭蹭熱點,但他們不去火星,而是看上了無大氣的火衛一,登陸火衛一與登陸小行星有很多相似之處,但與火星采樣返回任務相比,難度要小幾個數量級。
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日本火衛一采樣返回任務探測器效果圖
投入與收獲是成正比的,指望通過投機取巧成為航天強國,那是緣木求魚,一旦遇到難啃的硬骨頭,很快就會露底。比如昨天,日本宇宙航空研究開發機構JAXA的SLIM智能月球著陸器的登月任務就相當尷尬。
SLIM智能月球著陸器是由H-2A運載火箭發射升空,經過長達三個多月的長途跋涉后進入了繞月軌道,與之對比,十年前嫦娥三號從地球出發到進入繞月軌道只用了不到5天時間,日本探測器之所以用時這么長,是因為他們用的是低能量轉移軌道,需要繞道奔月,之所以選擇低能量轉移軌道,是因為預算有限,探測器的規模很小,燃料加注量有限。
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H-2A火箭發射SLIM智能月球著陸器
進入繞月軌道后,又經過25天的環月飛行等待后終于迎來了登月窗口,1月19日11時許,SLIM探測器正式進入登月行程,經過二十分鐘左右的下降飛行后,探測器接觸月球表面。
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SLIM登月遙測畫面
日本成了繼美國、蘇聯、中國、印度之后,第五個掌握月面軟著陸能力的國家了嗎?要回答這個問題可能沒那么簡單。
根據遙測數據生成的動畫顯示,SLIM探測器的接地姿態很怪異,反推發動機朝上,整個就是一個倒栽蔥式的姿態。
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倒栽蔥式登月(紅色箭頭指示畫面)
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接觸月面后,探測器太陽能電池沒有發電,只能用蓄電池供電,一旦電量耗盡,探測器也就壽終正寢了,果不其然,探測器與地球的通信僅持續了兩個多小時就中斷了,次日中午JAXA試圖再次建立通信,結果還是沒聯系上,這就等于是失聯了。
太陽能電池之所以沒能發電,估計和著陸姿態有關,大概率是太陽能板被壓在了月面上,無法接收到光照。
不過,就月面軟著陸這個結果來看,還算是做到了,因為著陸后還能通信,不僅如此,著陸器在接觸月面之前還釋放了兩個小型移動探測器,目前其中一個小型移動探測器已經失聯,另外一個有可能獲取月表圖像,這也算是月面軟著陸成功。
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SLIM著陸前分離載荷效果圖
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SLIM計劃釋放的LEV-1跳躍式巡視器
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SLIM計劃釋放的LEV-2球形巡視器
在SLIM智能月球著陸器從地球啟程之前,日本JAXA就已經認識到登月任務的艱難性,他們重新定義了成功,將結果分為3種情況:
第一種:最低限度成功。實現月面軟著陸,驗證基于機器視覺的導航技術,這對以后實現高精度著陸至關重要,通過任務的實施驗證探測器系統的在軌運行情況。
第二種:圓滿成功。實現100米精度內的高精度著陸,導航系統正常,著陸器按照既定時序動作執行到位。
第三種:在圓滿成功基礎上收獲額外的成功。在實現百米級高精度著陸后,可以在月面持續工作一段時間,獲取科學探測數據,直至進入月夜后結束。
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JAXA發布會宣布SLIM獲得最低限度成功
通過實際工程實踐,日本JAXA認為SLIM智能月球著陸器滿足第一種情況,也就是最低限度成功,可以打60分將將及格。
在SLIM之前,日本曾兩次試圖登月,皆以失敗告終,先是好客號立方體衛星試圖在月面部署一個重約1公斤的小型著陸器,但由于推進劑泄漏最終放棄登月,然后是ispace公司的白兔-R著陸器,這個探測器是因為數據裝訂錯誤,導致燃料耗盡最終撞月。
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日本ispace公司的白兔-R著陸器燃料耗盡撞月
如果說,好客號是純粹的試驗任務,白兔-R又是民營航天產品,那么SLIM智能月球著陸器就沒什么借口了,因為它是日本JAXA近些年來在月球領域的一個旗艦級項目,是能夠體現日本登月實力的探測器。
SLIM智能月球著陸器高2.4米、寬2.7米、厚度1.7米,發射質量0.59噸,僅相當于十年前嫦娥三號發射質量的六分之一都不到,探測器整體規模相當小,也正因為小,所以配置相當簡陋,甚至連像樣的著陸腿都沒有。
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SLIM智能月球著陸器CG圖
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SLIM智能月球著陸器實物照
該探測器在距離月面3米處2臺500N反推發動機關機,在姿控發動機作用下呈傾斜姿態下落,然后以側傾摔倒方式著陸,著陸沖擊能量由基于3D打印技術制造的類似海綿狀的著陸緩沖機構吸收,可以起個名字,就叫“躺平式著陸”。
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海綿狀著陸緩沖機構
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SLIM月球智能著陸器的“躺平式”著陸
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躺平式著陸分解動作
躺平式著陸很難受控,因為月球表面密布著大大小小的撞擊坑,著陸器最終往哪邊倒,是很難預料的,最終SLIM倒栽蔥式的落月結果也證明了這一點。
雖然有這樣那樣的不堪,SLIM還是有亮點的,它主要集中資源攻克百米級高精度月面著陸技術,主要通過地形相對導航技術實現,也就是圖像匹配導航,將著陸航跡下方的月面圖像提前裝訂在著陸器計算機中,在下降過程中拍攝月面圖像,二者相互匹配,實時解算出下降軌道數據,再控制反推發動機工作,進而實現高精度落月。
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不過,根據日本JAXA的最低限度成功表述看來,高精度落月這項核心使命并沒有實現。
近年來,不少試圖登月的國家都迷信低成本登月,日本SLIM智能月球著陸器就是一個代表,包括印度成功登月的月船三號也是如此。
航天活動追求低成本當然沒錯,但要看怎么追求,在核心關鍵技術沒有攻克的情況下一味追求低成本,那也是緣木求魚。比如印度月船三號雖然成功了,但也是基于月船二號的失敗教訓才得以實現,兩個探測器兩枚火箭得來的成功,成本還低嗎?
與之對比,中國航天給出了完全不同的答卷。
我們穩扎穩打,就工程能力來看,通過嫦娥一號、嫦娥二號兩次任務,突破了繞月飛行、地月直接轉移、高精度軌控條件下的繞月飛行,通過嫦娥三號終結了人造無人探測器盲降月球的歷史,掌握了基于機器視覺理念的高可靠月面軟著陸技術能力,以及月面巡視探測,通過嫦娥五號T1驗證月地高速再入返回能力,通過嫦娥四號任務,具備了月面復雜崎嶇地形登陸能力,進而擁有了基于科學需求,任意選擇著陸區的全月面到達能力,通過嫦娥五號,進一步突破了月面采樣、月面起飛、環月軌道無人對接與樣品轉移技術,全面檢驗了一整套探月工程技術。
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嫦娥二號
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嫦娥四號
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嫦娥五號上升器月面起飛
在攻克一系列核心技術,以及一系列工程任務實踐的基礎上,再去降低成本就可以有的放矢。
日本航天面對中國航天,一直有一種瑜亮情結,他們很難接受我們的領先,但在一系列的事實面前,他們也知道想要趕超中國航天已經徹底無望。
基于嫦娥探月工程穩扎穩打獲取的一系列關鍵技術與貨架產品,中國航天通過天問一號任務又完成了前所未有的一步實現火星繞落巡壯舉。
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天問一號著陸巡視器在火星上空打開減速傘
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天問一號應用的激光三維成像技術繼承于嫦娥系列著陸器
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祝融號火星車與著陸平臺合影
嫦娥探月工程三次登月三次成功,成功率高達100%,這就等于我們在全球范圍內率先進入探月自由王國,想要在月球上做什么事情都是事半功倍。目前正在并行推進的月球探測項目還有載人登月工程、嫦娥六號月球背面采樣返回任務、聚焦月球南極探測的嫦娥七號,這三個任務中的任何一個都屬世界級。
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