去年下半年以來，地球的“訪客”密集登月，印度、俄羅斯、日本、美國陸續發射了月球探測器，但成功著陸的寥寥無幾，直到今年2月23日，奧德修斯登月器才讓美國時隔50年再次登陸月球。 2月24日，中國載人探月任務新車名稱正式公布，月球著陸器命名為“蘭月”，載人登月倒計時開始。
今天，我們就來談談登月的科技難點，以及當前的探月能為未來的太空探索貢獻哪些科學啟示。
1.探測器到達月球時必須通過四個級別。
火箭之父、蘇聯科學家齊奧爾科夫斯基曾經說過：“地球是人類的搖籃，但人類不能永遠被束縛在搖籃裡。 “人類走出地球搖籃，進入宇宙的第一站是月球——月球是地球唯一的天然衛星，也是離地球最近的天然天體。 雖然從地球到月球的距離距離宇宙空間尺度連一步之遙，但它是一座只有人類付出巨大努力才能跨越的山峰，在這個過程中還有很多科技難題需要克服。
第乙個障礙是進入軌道。 如果火箭的強度不足以達到距離地球約38萬公里的遠地點高度，那麼探測器就需要改變軌道，逐漸公升高遠地點以接近月球，這樣會消耗更多的燃料和時間。 如果火箭能力更強，將探測器直接送入地月轉移軌道，那麼探測器的費力就會少得多。
第二個障礙是奔向月球。 要想探索月球，首先要能夠順利到達月球，而地月之間的天道是必須要通過的關卡。 在美國的前九次登月任務中，只有第五次部分成功，其餘八次軌道和飛越任務都失敗了。 蘇聯的起點不同，試圖首先登上月球，但直到 6 日才成功。 在前往月球的途中，探測器的初始軌道誤差會不斷累積，使實際飛行軌跡逐漸偏離設計軌道，因此需要每隔一段時間進行一次軌道機動，就像乙個小方向盤一樣，在行駛時調整方向，消除軌道偏差，確保探測器始終在正確的軌道上飛行。
第三個障礙是繞月球執行。 探測器到達近周點後，需要“剎車”，即近月剎車，將探測器的速度從2左右提高5km s 降至 17km s，減速達到08km s 或更長。 “剎車”的力度要恰到好處，剎車不夠力，探測器就會一頭撞向月球，剎車不夠也不會被月球捕捉到，離月球越來越遠。
第四個障礙是近來備受關注的登月。 月球上沒有空氣，不能使用降落傘，因此探測器只能通過發動機反噴減速下降。 隨著發動機反噴工作，燃油不斷消耗，探測器越來越輕，反噴推力也相應減小。 反向推力和重力的動態適應和匹配是軟著陸的關鍵，反向推力大就不能落下，反向推力小反向推力下落太快。 如果反向推力變化緩慢，減速不及時，反向推力的快速變化會給探測器的姿態帶來突然的干擾，一不小心可以說是被壓碎了。 同時，還需要解決著陸避障問題，避免掉落在石頭或坑上，影響著陸安全。
此外，降落在月球表面的探測器必須經過專門設計，可以抵禦溫差大、低重力、月球塵埃和宇宙輻射等特殊環境，才能正常工作。
2019年嫦娥四號著陸器地形相機拍攝的玉兔二號月球車A點影象。 （*來自中國國家航天局）。
2. 為什麼到達月球時容易達不到要求？
第一次探月熱潮出現在上世紀六七十年代，當時美國和蘇聯進行了一場太空競賽，完成了數十次月球軟著陸探索。 隨著2014年初中國嫦娥三號探測器在月雨海北部成功著陸，第二輪月球軟著陸探索拉開帷幕，特別是去年下半年以來，來自印度、俄羅斯、日本和美國的多個探測器都嘗試登陸月球，這引起了世界對月球探測的極大關注。
2023年7月14日，經過兩次延期，印度的月船三號探測器成功發射，並於8月23日成功著陸月球表面。 這標誌著印度成為世界上第四個成功登陸月球的國家。
2023 年 8 月 11 日，俄羅斯的 Luna-25 探測器發射公升空，計畫降落在月球南極，然後墜毀在月球表面。 調查顯示，近月制動時發動機點火本應執行84秒，但實際上執行了127秒，當探測器達到預定速度時，加速度計未能及時向探測器發出關閉推進系統的訊號，導致故障。
2023年9月7日，日本月球探測器Slim發射公升空。 後來，在月球表面著陸期間，探測器的乙個發動機失去了推力，導致它以朝上的“倒置”姿態著陸。
2024年1月8日，由美國航空航天機械人公司研製的遊隼號月球著陸器發射公升空，最終重新進入地球大氣層，因推進系統故障和推進劑洩漏而燃燒殆盡。
2024年2月15日，美國直覺機器公司的奧德修斯月球著陸器發射成功，進入繞月軌道後，發現雷射測距系統無法正常工作，於是呼叫雷射測距實驗有效載荷進行著陸資料支援，探測器在2月22日降落在月球表面時翻滾。
縱觀第二輪月球軟著陸探測熱潮，全球共開展了11次月球軟著陸任務，但成功率僅略高於50%。 月球著陸器條件頻繁，或命令優先順序邏輯有問題，或發動機噴嘴燒穿並掉落，或推進劑洩漏，或雷射測距儀安全開關在發射前忘記解鎖等。 目前，只有中國的嫦娥三號、嫦娥四號、五號任務和印度的月船三號任務取得了圓滿成功。 可以看出，雖然人類早在半個世紀前就實現了載人登月，但軟著陸至今仍是高風險環節。
太空飛行器到達月球表面面臨的最大技術障礙是反推力發動機技術和著陸導航技術。
從推力反向發動機技術來看，只有中國和美國直覺機械公司研製出了推力範圍廣的可調推力發動機，利用發動機推力的可控變化來平衡探測器重力的變化。 但是，其他探測器大多採用多台發動機的組合，推力固定或可以在小範圍內調節推力，重力通過脈衝控制或切換組合來抵消，反向推力的突然變化容易干擾探測器的姿態。
從著陸導航技術來看，新研製的印度月船三號和日本的SLIM著陸器應用了基於影象匹配技術的地形相對導航技術，實現了高精度著陸。 其中，印度的月船-3的著陸位置偏差約為360公尺，日本的SLIM的著陸位置偏差約為55公尺，這是目前世界上著陸精度最高的。 我國此前的嫦娥系列探測器採用微波雷射測距測速和機器視覺避障技術，可靠性高，後續的嫦娥七号和嫦娥八號探測器將根據任務要求實現更高精度的著陸。
因此，要想成功實現月球軟著陸，不僅要突破相應的關鍵技術，還要實現產品的高可靠性，這兩者都缺不開，否則就會磕磕絆絆，失敗。
3.為什麼登陸南極洲最受關注。
到目前為止，登月任務的著陸區域主要集中在月球正面、月球背面和月球南極三大區域。
月球正面始終面向地球，與地面的通訊條件良好，月海面積大，地勢相對低窪平坦，工程實現難度相對較低，因此世界各國的首次登月任務通常都選擇在月球前方的中低維區域著陸。 中國載人探月任務計畫在2030年前登陸月球正面，實現中國人登月夢。
月球的背面總是背對地球，由於地球上的人類活動、閃電和極光造成的無線電干擾，被認為是低頻射電天文觀測的絕佳地點。 利用月球背面獨特的無線電環境進行天文觀測，可以填補100kHz-1MHz頻段的空白，有望獲得對宇宙“黑暗時代”的新認識。 南極-艾特肯盆地主要位於月球背面，不僅是月球上最大最古老的盆地，也是太陽系中最大的盆地，直徑約2500公里，最大深度為12公里。 此外，月球背面還儲存著最古老的月殼岩石，其斜長石高地可能在月球岩漿海洋中形成了分化晶體，這是月球形成的兩大理論之一，其探索有望獲得對月球早期演化歷史的新認識。 中國嫦娥四號探測器於2019年實現了月球背面的首次軟著陸和巡迴探測，嫦娥六號探測器也將在今年上半年完成月球背面的樣本返回任務。
月球的南極是許多全年看不到陽光的撞擊坑的所在地 - 永久性陰影隕石坑 - 其中可能含有豐富的水冰儲備。 中國將在2026年左右實施的嫦娥七号任務的乙個重要科學目標是通過現場探測來驗證月球南極地區是否存在水冰。 如果在月球南極直接發現大量水，將為人類長期留在月球提供物質支援，為深遠的太空探索提供燃料供應，為月球上其他資源的開發利用提供燃料。 此外，在月球南極還有一些長期連續照明的特殊地點——永迪峰，佔年照明時間的80%，探測器甚至可以通過小範圍的運動實現連續不間斷的工作，為長期的科學探索提供了非常有利的條件。
鑑於潛在的水冰資源和特殊的環境，月球南極是長期科學研究和資源開發的理想場所。 為此，美國啟動了大規模的阿爾忒彌斯計畫，聯合30多個國家在月球南極建立大本營，將太空人送上月球，建立定期駐留機制，為未來載人火星任務鋪平道路。 中國提出了國際月球科考站重大科學工程規劃，與多國攜手在月球南極建設國際月球科考站，以長期無人自主、短期載人參與的形式開展月球資源利用、月基建設等任務活動。
目前，正在中國實施的嫦娥七号任務計畫對月球南極永久陰影區月球土壤水冰和揮發物的發生進行取樣和調查。 嫦娥八號任務在月球南極著陸，建設月球科研站樞紐，首次驗證了月球土壤資源原位利用新技術。 通過嫦娥七号、嫦娥八號任務的實施，建設基礎型月球科考站，為後續國際月球科考站的大規模建設和高效執行奠定基礎。
4. 月亮存在的時代已經到來。
月球是離開地球後宇宙海洋中的第乙個島嶼，是中國的大地，地球與月球之間的距離只有38萬公里，是地球與火星距離的千分之一。 在目前人類掌握的科學技術下，利用火星還遙不可及，而月球是當下觸手可及的現實，它不僅是理想的科研基地，也是資源開發利用的寶庫，是前往更深空的跳板和前哨。
因此，世界各國現在開始重新審視月球作為一項新的戰略太空任務。 美國、中國和歐洲一些主要航天強國紛紛提出在月球上建設月球科考站或月球基地的計畫，這標誌著人類探月活動已從“懂月球”轉向“認識利用並重”，進入了“駐紮”時代。 “探、落、駐”三大步驟中的第三步。
以往的人類探月任務，無論是中國的“繞軌、著陸、返航”，還是美國的阿波羅計畫、俄羅斯的月球系列，都屬於單一的探月任務模式，即每次任務都設定目標並配置相應的科學有效載荷，任務週期相對較短，任務之間缺乏協調。 建成月球科研站等中型實驗型月球設施，向相對集中的建站、長期居住、可持續探索模式轉變，將大大增強任務之間的協調性，模組之間的物質、資訊、能量交換將大幅增加，就像將分散的點連線成乙個網路一樣， 這必將為人類了解和利用月球提供一種更有效的方法。
根據科學家的假設，人類未來還將建立月球基地。 月球基地可以長時間自主執行，擁有超級大腦的中央機構指揮各類機械人完成各種探索、搬運、部署、建造任務; 指揮官、工程師、科學家、探險家、醫生等各行各業的人類太空人也將來到月球基地進行短期停留，指揮和控制機械人完成地質調查、科學研究、大規模建設等複雜任務。 這樣的月球基地包括實驗室、礦山、工廠、機場、酒店等各種實用的月球設施，所獲得的知識和產品將服務於人類文明的延續和擴充套件。
通過全世界航天科技工作者的創新和努力，相信在不久的將來，這些夢想將乙個個成為現實，更多的地球人將成為見證歷史的月球訪客。 （完）。
作者：王瓊，竇浩.
*：北京**。