美国探测器登上月球，核心技术山寨嫦娥三号？结果反转，差距拉大

贺兰石

在21世纪以前，人们认为探测器登陆月球是难度极高的操作，然而，进入21世纪后，中国嫦娥探月工程刷新了人们的认知，嫦娥三号、嫦娥四号、嫦娥五号三次登月次次成功，始终保持着100%的登月成功率，这是不是因为科技的发展进步让登月变得不再艰难？

嫦娥三号着陆器

嫦娥四号着陆器

嫦娥五号月面采样作业

直到近些年，当其它国家进入登月赛道后，他们又一次刷新了人们的认知，印度、日本、俄罗斯、美国等，不论是昔日的航天强国，还是新兴的航天大国，都接连在登月任务中翻车。

以色列创世纪号着陆器主发动机故障后撞击月球

俄月球-25号着陆器在环月降轨阶段撞击月球

日本白兔-R着陆器燃料耗尽撞击月球

除嫦娥系列探测器外，从以色列的创世纪号探测器开始算起到现在，有8次他国登月任务，其中只有印度的月船三号登月任务取得了圆满成功，其它探测器大部分都是坠落月球表面，少数任务是跌跌撞撞地以非正常姿态着陆，通信失联、动力故障、数据装订错误、传感器故障……各类问题五花八门，即便是圆满成功登月的月船三号也并不是那么完美，因为没有过月夜设计，只在月球表面存活了十几天。

在吸取月船二号登月失败教训后，印度月船三号终获成功。

现在看来，不是登月变得容易，而是中国航天足够优秀。
近日，美国又开始了进入21世纪以来的第二次登月任务尝试（第一次未能进入环月轨道便失败），这就是NASA赋予机器视觉商业航天公司的订单项目——直觉机器任务一（IM-1）。
IM-1任务由该公司研制的“新星-C着陆器”承担，该着陆器发射质量1.9吨，比嫦娥三号小了一吨多，但看起来却很高大，因为其外观呈六边形柱体，高度4.3米，直径1.6米，配置6条着陆腿，能够承运130公斤有效载荷至月球表面。

新星-C着陆器

新星-C着陆器与火箭末级分离画面

新星-C着陆器拍摄火箭末级

此次登月任务有两个特色，一是首次在地外天体登陆任务中使用低温推进剂——液氧甲烷燃料，主发动机推力3100N，作为对比，嫦娥系列着陆器配置的则是7500N变推力发动机。再就是首次登陆真正的月球南极区域，距离南极点约300公里，在月球南极极圈以内。
新星-C着陆器由SpaceX公司的猎鹰9号火箭发射入轨，于本周五上午7时11分执行动力下降动作，整个下降过程持续约1小时，比嫦娥系列的落月时间更长，随后地面飞控团队根据数据研判认为，着陆器呈直立姿态成功着陆于月球表面既定着陆区。

假如新星-C着陆器成功登月，画面就是这样的。

当天，NASA负责人比尔·纳尔逊就即兴在社交平台上发布了一段祝贺词，他说，今天，美国半个世纪以来首次重返月球，在25万英里航行的第八天，直觉机器公司一生中最精彩的一次着陆，IM-1真是一个壮举，这对人类来说是多么大的胜利啊，奥德修斯（IM-1）登上了月球。
对于深陷阿尔忒弥斯载人重返月球项目困境的比尔·纳尔逊而言，新星-C着陆器成功登月确实是一剂强心针，毕竟此次任务也是阿尔忒弥斯载人重返月球计划框架内的商业月球有效载荷服务计划的一次重要的登月任务。至于“对人类来说是多么大的胜利”，在嫦娥系列任务面前，这就有点自作多情了。

比尔·纳尔逊

话说美国航天虽然实施过载人登月工程，但截至新星-C登月任务，美国航天从未掌握基于自主避障技术的地外天体登陆能力，实施载人登月任务时，是基于宇航员的手控操作降落实现障碍识别与规避，载人登月之前的无人登月，则是选择大片开阔平坦区域盲降。
美国航天在火星登陆任务中也没有末端避障设计，比如机遇号与勇气号是气囊缓冲，巧妙地逃避了自主避障技术需求，但气囊缓冲是有重量限制的，比如好奇号与毅力号就无法使用气囊缓冲，他们应用的是地形相对导航技术，这是利用卫星遥感图像与探测器实拍图像进行比对，进而解算弹道，瞄准着陆区，但依旧没有末端避障技术，对于撞击坑不是很多的火星而言，没有自主避障技术可以勉强接受，但对于撞击坑更为密集分布的月球而言，那就是万万不行。
新星-C登月任务的结果反转也很快，不到一天时间，在正式的任务发布会上，直觉机器公司首席执行官史蒂夫·奥特默斯披露，新星-C着陆器在月球表面卡住了一只脚，导致倾斜摔倒……但是，太阳能电池可以发电，而且能够维持最低限度的通信功能。

官宣新星-C着陆器摔倒

也就是说，新星-C着陆器现在是横卧在月球表面，无独有偶的是，仅仅一个月前，日本SLIM探月智能着陆器也是非正常姿态登月，它的姿势是“倒立”。

日本JAXA的SLIM探月智能着陆器

SLIM的躺平式着陆设计

日本SLIM探月智能着陆器并没有严格意义上的着陆腿装置，设计上就是利用侧倾摔倒+缓冲吸能装置进行躺平式登月，但也因为动力故障导致接地速度过大，以致于形成倒立的姿态。
反观新星-C着陆器不仅有腿，而且腿还很多，有6条，比一般着陆器的着陆腿还多出两条腿。

SLIM与新星-C两台着陆器之间的同病相怜

半个世纪前，苏联火星三号定义了地外天体软着陆任务的成功标准，就是探测器登陆后，只要能和地球通信，就是还活着，也就是成功的软着陆。按照这个标准，不论是倒立的日本SLIM，还是美国的新星-C也都算是成功登月了。
但对于向来以高标准要求著称的国人而言，这当然不是成功，而是失败。
虽然日本SLIM与美国新星-C都不算是圆满成功，但就获得的工程技术能力而言，日本航天的收获还是更多一些。
要说日本SLIM探月智能着陆器还是很夸张的，在登月最后阶段，两台主发动机中的一台的喷管直接喷在了月面上（掉落月面），这种故障相当少见，即便如此，仅剩的一台主发动机还是将着陆器的下降速度控制在设计范围内，因为接地速度小，所以着陆器才没有被彻底摔坏。

日本SLIM着陆器一台主发动机喷管掉落月面

之所以说日本航天的收获更大，有两方面原因，一方面是SLIM探月智能着陆器实现了高精度的着陆位置偏差控制，也就是“定点着陆”，实际着陆点相较于地面标称着陆点仅偏差55米，这是地形相对导航技术的成功，成功验证了着陆器搭载的各类传感器。另一方面，在以倒立姿态着陆后，着陆器搭载的探测载荷还能工作，还能将数据回传地球，甚至登陆月面前分离释放的两台可以进行自主月面移动的小型探测器也成功工作了，还实现了对着陆器的影像拍摄任务。

SLIM基于图像匹配的地形相对导航技术演示动图

反观美国直觉机器公司的新星-C着陆器，不论是登月途中的轨迹控制，还是登月后的表现都不如日本SLIM探月智能着陆器。
新星-C着陆器也应用了基于地形相对导航的高精度定点着陆技术，但是在下降过程中就出现了激光测距仪故障，不得不将测距任务交给NASA兰利研究中心研制并配置在着陆器上的一台试验载荷“激光雷达”。

由NASA提供，安装在新星-C着陆器上的激光雷达。

这台激光雷达的主责是在着陆末端为着陆器识别月面障碍物，并选定安全着陆点，但是这台载荷的测距测速功能是有高度范围限制的，所以在下降过程中只能作为主导航系统的备份载荷。
不知道激光测距仪故障有没有影响到新星-C着陆器的登月位置精度控制，既然让备份上马，大概率是影响到了。
探测器获取与着陆点之间的距离、与月面之间的高度，以及探测器自身的速度、姿态等数据，是实现高精度着陆的前提，这些就是探测器的眼睛，没有这些数据，或者数据出现较大的偏差错误，都必将导致登月失败。

新星-C着陆器的着陆动作分解

登月过程中不仅出现了传感器故障，在登月任务的末端环节还有问题，着陆器最终倾倒也和速度控制有关，直觉机器公司首席执行官史蒂夫·奥特默斯说，着陆器的最后下降速度原本应该是每秒约2米，但实际下降速度大约是这个速度的三倍，而且还有大约每秒2米的横向运动。
首先设计阈值就不高，要知道嫦娥系列着陆器可以适应每秒约3至4米的下降速度，很多朋友看到新星-C着陆器的实际外观都觉得它的重心太高了，这也许就是其下降速度阈值较低的原因之一。

新星-C着陆器实物实拍

另外还有约2米的横向速度，这对于正常的着陆任务是不应该的，因为在着陆末端都是瞄准着陆点垂直降落，不应该再有过大的横向速度。

十年前，嫦娥三号缓速下降段实拍，画面有加速。

为什么新星-C着陆器的着陆腿会被卡住，进而摔倒？
新星-C着陆器山寨了一款与十年前嫦娥三号着陆器相似功能的载荷，就是前文提到的由NASA提供的“激光雷达”。
我们的激光雷达有更准确的命名——激光三维成像敏感器。十年前，具备末端障碍机动规避能力的嫦娥三号终结了人造无人探测器盲降月球的历史，这是具有世界领先水平的激光三维成像敏感器赋予的 “机器视觉”。
当嫦娥三号抵达距月面100米高度时会执行悬停操作，激光三维成像敏感器配合测距敏感器工作，可以在3秒时间内对着陆器下方月面区域进行激光扫描，并根据坡度、高度等信息，快速选定安全着陆点，此项技术是助力嫦娥系列登月任务三战三捷的关键核心技术。

国产激光三维成像敏感器

十年后的美国新星-C着陆器也首次配置了激光雷达，但为什么我们一举成功，他们则是一败涂地呢？

新星-C着陆器的激光雷达工作效果示意图

什么“着陆腿被卡住”，这只是浮于表面的借口。
实际情况有两种可能：
一种可能是，激光雷达成功选定了安全着陆点，但由于着陆器下降速度过快，没有时间进行机动规避，所以在有横向速度的情况下落月了。
另一种可能是，激光雷达工况不佳，未能完全识别月面障碍，导致着陆器倾倒。
话说回来，事实上，激光雷达设想最早由美国提出，但却由中国率先实现，十年之后，我们的激光三维成像技术早已炉火纯青，他们还在跌跌撞撞地测试，这就是差距，而且差距还在持续拉大。
嫦娥三号与新星-C这两台着陆器也体现了两国不同的发展路线，美国过于迷信商业航天，将资金分散投资给大大小小的各类商业航天公司，他们认为这可以激发创新活力，然而创新也是需要在继承中发展，否则参与其中的各家公司都从头开始，要付出的总成本是巨量的，对于这一点NASA不是没有认识，否则新星-C着陆器中也不会有NASA的传感器载荷。
但是NASA在没有获得主导项目成功的前提下，它所能提供的载荷先进性与可靠性都必将大打折扣。

嫦娥五号实现人类首次地外天体环绕轨道无人自主交会对接

反观我们，走的则是一条先集中力量办大事，通过嫦娥系列任务拥有了一大批成熟可靠的货架产品与技术，在这个基础上再去推进深空探测领域的商业航天事业，就能少走很多弯路，能提供的各类资源也会更多，更有保障。