以色列探月：就差臨門一腳

文/遲惑

▲“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”傳回的最后一張畫面，然后它就墜毀了

2019年4月14日，被以色列各界寄予厚望的“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”月球著陸器墜毀在月面上，這宣告以色列沖擊“世界上第四個(gè)月球軟著陸國(guó)家”的努力失敗了。雖然說(shuō)失敗是成功之母，但最終導(dǎo)向成功的失敗才有意義。如果詳細(xì)分析“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”的飛行過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題還是不小的。如果SPACEIL公司和IAI公司繼續(xù)按照這樣的模式來(lái)研制后續(xù)月球著陸器，未必能走向成功的終點(diǎn)。

月球X大獎(jiǎng)賽

SPACEIL公司和“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”的起源，都可以追溯到2007年發(fā)起的谷歌月球X大獎(jiǎng)賽。谷歌公司為了鼓勵(lì)民營(yíng)企業(yè)積極投身航天探索，創(chuàng)辦了一個(gè)獎(jiǎng)金2500萬(wàn)美元的賽事。按照賽制規(guī)定，在2012年12月31日之前，任何企業(yè)或團(tuán)體只要第一個(gè)把月球車發(fā)射到月球上，在月球上行走500米，并且發(fā)送1G的圖像信號(hào)回地球，就可以獲得2000萬(wàn)美元。第二名獲得500萬(wàn)美元。如果在2012年12月31日之后、2014年12月31日之前做到，第一名獎(jiǎng)金下降到1500萬(wàn)美元。

這項(xiàng)賽事引起了全球范圍內(nèi)的轟動(dòng)，應(yīng)者云集。但是到了2014年年底，居然沒(méi)有任何一個(gè)團(tuán)隊(duì)能夠做到。主辦方只好把賽事延期到2018年1月28日終止。然而到了這一天，還是沒(méi)有人能把探測(cè)器發(fā)射到月球上去。不過(guò)有幾個(gè)代表隊(duì)真正進(jìn)入了探測(cè)器研制狀態(tài)。SPACEIL就是其中一個(gè)。

或許是主辦方認(rèn)為，賽事就這樣灰溜溜地收?qǐng)?，?duì)商業(yè)航天的發(fā)展打擊太大了，于是在2018年4月，主辦方宣布月球X大獎(jiǎng)賽重新啟動(dòng)。但由于谷歌不再贊助，這次沒(méi)有獎(jiǎng)金了。沒(méi)有獎(jiǎng)金的大獎(jiǎng)賽還能叫大獎(jiǎng)賽嗎？很顯然，這是要給接近終點(diǎn)的幾個(gè)團(tuán)隊(duì)一個(gè)交代而已。但實(shí)際上，繼續(xù)向前走的團(tuán)隊(duì)只有SPACEIL一家。在月球X大獎(jiǎng)賽重新啟動(dòng)的消息公布后不久，SPACEIL就宣布，探測(cè)器已經(jīng)接近于研制完成。于是乎，“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”成了唯一進(jìn)入發(fā)射程序的月球X大獎(jiǎng)參賽者。

▲以色列夢(mèng)想著成為第四個(gè)月球軟著陸的國(guó)家

不過(guò)這不僅僅是為了情懷和夢(mèng)想，以色列為了推動(dòng)宇航產(chǎn)業(yè)發(fā)展動(dòng)用了政府力量。就在月球X大獎(jiǎng)賽第一輪截止期鄰近的時(shí)候，SPACEIL公司公開哭 窮。2017年12月5日，SPACEIL首席執(zhí)行官厄蘭·普利維曼對(duì)媒體表示，還需要再籌集3000萬(wàn)美元的資金，才能把工作繼續(xù)下去。但是SPACEIL的董事會(huì)前主席、億萬(wàn)富翁莫里斯·可汗說(shuō)，如果團(tuán)隊(duì)能到市場(chǎng)上或者政府那里找到不少于2000萬(wàn)美元，他就再出1000萬(wàn)美元。

這位可汗說(shuō)話是有分量的，因?yàn)樗呀?jīng)為創(chuàng)世紀(jì)項(xiàng)目出資1800萬(wàn)美元，在當(dāng)時(shí)已經(jīng)籌集到的5500萬(wàn)美元里占了很大的一部分。不得不說(shuō)，這家機(jī)構(gòu)的籌款能力還是不錯(cuò)的，9天之后，他們就弄到了2250萬(wàn)美元的捐款承諾，這其中應(yīng)該包括可汗的1000萬(wàn)，但還差750萬(wàn)美元才夠。經(jīng)常觀察航天項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的讀者可能對(duì)750萬(wàn)美元這種數(shù)字已經(jīng)無(wú)感了，但其實(shí)這是一筆很大的款子，要人平白捐獻(xiàn)這么多錢，談何容易。

到2018年4月月球X大獎(jiǎng)賽OHB公司的身上。

可能是因?yàn)檠兄坪驮囼?yàn)工作順利，SPACEIL的承包商IAI公司甚至開始考慮后續(xù)探月任務(wù)了。其實(shí)IAI目前還只有地球觀測(cè)衛(wèi)星飛行成功的經(jīng)驗(yàn)，把星際探測(cè)器的難度想得太低了。

終于發(fā)射

▲以色列總理內(nèi)納尼亞胡興奮地觀看著陸過(guò)程直播

2019年2月21日，“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”終于搭載獵鷹9號(hào)火箭發(fā)射升空。之所以要說(shuō)搭載，是因?yàn)檫@次發(fā)射的主要載荷是印度尼西亞的PSN-6通信衛(wèi)星。PSN-6重達(dá)4100千克，而“創(chuàng)世紀(jì)”只有600千克。發(fā)射33分鐘后，“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”與火箭分離，踏上了奔月之旅?！盁o(wú)獎(jiǎng)金重啟”的時(shí)候，SPACEIL已經(jīng)弄到了足夠的錢。而另外一個(gè)團(tuán)隊(duì)synergy moon對(duì)是否繼續(xù)月球任務(wù)含糊其辭，只是在推特上表示“要繼續(xù)前往月球”。SPACEIL不但不缺錢了，而且還向歐空局伸去了橄欖枝，打算在“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”上搭載歐洲的科學(xué)設(shè)備。這些設(shè)備的研制工作最后落到了德國(guó)有趣的是，按照SPACEIL發(fā)布的視頻，“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”并不是搭載在整流罩中，而是搭載于火箭上面級(jí)的下方?；鸺劝选皠?chuàng)世紀(jì)號(hào)”釋放出來(lái)，然后再帶著PSN-6衛(wèi)星繼續(xù)前往更高的軌道。以喜歡發(fā)帖而著稱的馬斯克卻對(duì)自己承擔(dān)了這樣一項(xiàng)星際探測(cè)任務(wù)沒(méi)有什么表態(tài)，或許是覺得不載人的東西都不值得他關(guān)心吧。

▲“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”拍到了月球表面的地形

▲“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”飛向月球的過(guò)程中，拍攝了地球的畫面

SPACEIL公司當(dāng)然很激動(dòng)，這家企業(yè)不但把以色列總理內(nèi)塔尼亞胡請(qǐng)到了控制室，現(xiàn)場(chǎng)觀看發(fā)射直播，還迅速通過(guò)各種渠道發(fā)布了消息，甚至制作了“以色列將成為繼美蘇中之后第四個(gè)月球軟著陸國(guó)家”“SPACEIL將成為第一個(gè)月球軟著陸的非政府航天組織”的視頻。大批以色列兒童聚集在電視機(jī)前，看著發(fā)射視頻高聲歡呼。面對(duì)這樣的場(chǎng)景，我們只能說(shuō)：孩子，你經(jīng)歷得還不夠多。

變軌過(guò)程

“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”的發(fā)射也成為國(guó)際航天界的熱門話題，似乎人人都認(rèn)為它肯定能成功。

由于發(fā)射質(zhì)量小，因此“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”攜帶的燃料非常有限，只能采取省燃料、費(fèi)時(shí)間的軌道轉(zhuǎn)移方案。從發(fā)射后，它歷時(shí)一個(gè)多月才被月球捕獲。相比之下，嫦娥三號(hào)探測(cè)器發(fā)射后只用了12天就進(jìn)入著陸程序了。

然后，“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”用自己的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，進(jìn)入一個(gè)遠(yuǎn)地點(diǎn)達(dá)到6萬(wàn)公里的狹長(zhǎng)大橢圓軌道。當(dāng)回到近地點(diǎn)的時(shí)候，它繼續(xù)加速，把遠(yuǎn)地點(diǎn)提升到14萬(wàn)公里。在第三圈，“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”要把遠(yuǎn)地點(diǎn)提升到27萬(wàn)公里，在這個(gè)軌道上繞行一圈，等待月亮到達(dá)合適位置。在第四圈，“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”把軌道高度提升到40萬(wàn)公里，超過(guò)了月球繞地球飛行的軌道高度。它要在這個(gè)軌道上運(yùn)行一整圈，當(dāng)再次運(yùn)行到遠(yuǎn)地點(diǎn)的時(shí)候，正好與月球交會(huì)。這時(shí)，“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”要進(jìn)行一定的減速，這樣就正好被月球吸引過(guò)去，進(jìn)入環(huán)繞月球飛行的軌道。

“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”被月球捕獲后，進(jìn)入了近月點(diǎn)290公里、遠(yuǎn)月點(diǎn)1萬(wàn)公里的橢圓軌道，然后通過(guò)制動(dòng)來(lái)降低高度，進(jìn)入一條距離月球表面250公里的圓軌道。在這個(gè)過(guò)程里，“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”拍攝了不少月球表面的照片，引起宇航界一片轟動(dòng)。3月28日，組委會(huì)表示，要向SPACEIL頒發(fā)100萬(wàn)美元的“月球射入獎(jiǎng)”。

到了4月中旬，“創(chuàng)世紀(jì)”終于要進(jìn)行最后一步，軟著陸了。

“臨門一腳”很重要

SPACEIL自稱，自己已經(jīng)非常接近成功，這話并不算錯(cuò)。但差一步也不是成功，而且最后這一步到底有多少風(fēng)險(xiǎn)多少磨難，不走到終點(diǎn)是無(wú)法知道的，就像足球比賽的臨門一腳一樣。至少我們可以知道，SPACEIL在“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”的研制中，沒(méi)有對(duì)這“臨門一腳”做充分的試驗(yàn)驗(yàn)證。

▲即將進(jìn)入模擬器進(jìn)行真空試驗(yàn)的“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”

但在地面試驗(yàn)中，SPACEIL和IAI采取了另一種辦法。從他們公布的視頻來(lái)看，只是用一臺(tái)吊車把“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”吊在一米多高的位置，然后松開吊鉤，讓它掉落在一片軟質(zhì)土壤上。按照有關(guān)物理公式，這樣的方式也說(shuō)得通，不過(guò)總讓人有一種取巧的感覺。但是，我們并沒(méi)有看到“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”用火箭反推、受控下降過(guò)程的演示驗(yàn)證。如果SPACEIL和IAI真的沒(méi)有做這項(xiàng)試驗(yàn)，那未免自信過(guò)度了。航天活動(dòng)數(shù)十年的歷史已經(jīng)證明，沒(méi)有在地面接受過(guò)充分驗(yàn)證的技術(shù)和方案，貿(mào)然上天，是一定會(huì)出問(wèn)題的。出資人可汗已經(jīng)表態(tài)，會(huì)支持后續(xù)的月球任務(wù)。然而工程上的風(fēng)險(xiǎn)往往是很難預(yù)測(cè)的。那么如果SPACEIL真的再次啟動(dòng)探月任務(wù)，就必須有所投入，來(lái)測(cè)試一下軟著陸方案的全過(guò)程。到時(shí)候，8000萬(wàn)美元夠不夠用，就不好說(shuō)了。

故障原因分析

像“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”這種著陸期間忽然發(fā)生故障然后失去聯(lián)系的情況，一般是制導(dǎo)導(dǎo)航控制系統(tǒng)（GNC）出了問(wèn)題。事實(shí)上，SPACEIL公布的情況也符合這個(gè)判斷。

“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”選定的著陸場(chǎng)，面積大約在30平方公里。聽起來(lái)面積不算小，但是“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”在著陸前的飛行速度大約是每小時(shí)6000公里，因此難度還是有一些的。

按照這家機(jī)構(gòu)的說(shuō)法，“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”在距離月球表面150米的地方，一個(gè)慣性器件出了問(wèn)題，導(dǎo)致電腦錯(cuò)誤地關(guān)閉了主發(fā)動(dòng)機(jī)。地面人員發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后立刻設(shè)法重啟，但為時(shí)已晚，著陸器以每小時(shí)500公里的速度沖向了月球表面。看上去，這是一次簡(jiǎn)單的單點(diǎn)失效，SPACEIL的運(yùn)氣比較差。國(guó)外媒體的報(bào)道也稱，SPACEIL已經(jīng)非常接近成功了。畢竟是走到最后一步了嘛。

然而這最后一步看來(lái)并不好走。

原因推測(cè)

我們?cè)谶@里可以做出一點(diǎn)推測(cè)。當(dāng)時(shí)“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”正在減速下降過(guò)程中，它首先要把主發(fā)動(dòng)機(jī)朝向飛行前方，產(chǎn)生一個(gè)與速度矢量相反的推力，使它不再維持繞月球飛行的軌道，而是向月面下降。當(dāng)速度下降到一定程度后，要再次調(diào)整姿態(tài)，把主發(fā)動(dòng)機(jī)朝向月球表面，一邊橫飛一邊逐步減速下降，最后降落在預(yù)定區(qū)域?？梢园l(fā)現(xiàn)，在這個(gè)過(guò)程中飛行器的姿態(tài)會(huì)發(fā)生劇烈的變化。慣性器件——主要是陀螺儀——產(chǎn)生誤判的可能性是很大的，而且降落過(guò)程非常短，一旦開始減速，就沒(méi)有犯錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)，或者成功著陸，或者摔下去。從以色列IAI公司曾經(jīng)制造過(guò)的航天器來(lái)看，還沒(méi)有哪種具有這樣的能力，也就是說(shuō)，他們沒(méi)有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

慣性器件如果向計(jì)算機(jī)發(fā)出了錯(cuò)誤的信號(hào)，會(huì)讓計(jì)算機(jī)誤以為著陸器已經(jīng)到達(dá)了預(yù)定高度，就關(guān)掉了發(fā)動(dòng)機(jī)。然而我們從視頻中看到的情況并不止于此，“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”似乎并不是垂直于月面下降的，而是有一定的角度。因此，姿態(tài)調(diào)整動(dòng)作或許并沒(méi)有充分完成。這時(shí)候再錯(cuò)誤地關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，就是雪上加霜。

單點(diǎn)失效要避免

無(wú)論SPACEIL還是IAI，都缺乏設(shè)計(jì)外星著陸器的經(jīng)驗(yàn)，但僅僅是缺乏經(jīng)驗(yàn)這樣簡(jiǎn)單嗎？這表明“創(chuàng)世紀(jì)”的總體設(shè)計(jì)是存在嚴(yán)重問(wèn)題的。在任何系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，都要極力避免單點(diǎn)失效的風(fēng)險(xiǎn)存在。對(duì)航天器來(lái)說(shuō)，除了結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)電池這種難以備份的分系統(tǒng)之外，其他分系統(tǒng)要盡量提供備份，防止單個(gè)元器件或者組件失效導(dǎo)致整星失效。而且對(duì)GNC來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)不能依靠一個(gè)器件的輸入就做出判斷。尤其是外星探測(cè)器，這種探索性質(zhì)的航天器往往會(huì)遇到人們意料之外的事情。宇宙中環(huán)境復(fù)雜，各種電磁波、宇宙射線、帶電粒子的干擾，往往會(huì)導(dǎo)致某個(gè)敏感器產(chǎn)生誤判。星上計(jì)算機(jī)必須通過(guò)多個(gè)敏感器的輸入來(lái)進(jìn)行綜合，或者根據(jù)軌道和姿態(tài)預(yù)測(cè)，排除單個(gè)敏感器的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

SPACEIL在宣傳片中高度強(qiáng)調(diào)，自己要用很少的預(yù)算來(lái)實(shí)現(xiàn)航天大國(guó)花了幾十億美元才做到的事情。“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”顯然是為了控制成本，盡可能地減少了各種分系統(tǒng)中的備份措施。這樣不但降低了探測(cè)器本身的制造成本，也降低了重量和體積，減少了發(fā)射成本，但后果是造成了大量單點(diǎn)失效風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際上，在“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”變軌的過(guò)程中就出過(guò)問(wèn)題。2月28日，“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”的計(jì)算機(jī)發(fā)生了“指令軟件故障”。在地面人員的干預(yù)下，故障被排除了。變軌過(guò)程比較漫長(zhǎng)，提供了人工干預(yù)的機(jī)會(huì)，而降落月球的過(guò)程卻沒(méi)有這樣的機(jī)會(huì)。

因此，在搞航天型號(hào)的時(shí)候，不該省的就不能省。

▲IAI公司廠房中的“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”，注意發(fā)動(dòng)機(jī)位置

相關(guān)鏈接：

“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”什么樣

“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”是一個(gè)什么樣的探測(cè)器呢？

有趣的是，無(wú)論甲方SPACEIL還是承包商IAI，都沒(méi)有對(duì)“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”的技術(shù)細(xì)節(jié)給出足夠清晰的描述，只是發(fā)布了一些不算詳細(xì)的視頻，并且在網(wǎng)站上做了簡(jiǎn)單說(shuō)明。我們有理由相信，這兩家機(jī)構(gòu)打算在任務(wù)成功之后，在某個(gè)重大場(chǎng)合公開宣布有關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)和探測(cè)成果，比如國(guó)際宇航聯(lián)的年度大會(huì)。不過(guò)看來(lái)，至少2019和2020年，這個(gè)愿望不可能實(shí)現(xiàn)了。我們只能根據(jù)有限的資料，來(lái)判斷一下它的結(jié)構(gòu)和工作原理。

首先，“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”采用了月球著陸器的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)型，也就是四個(gè)著陸腿支撐著一個(gè)雙層平臺(tái)。兩層平臺(tái)中間是四個(gè)球形的燃料罐。在上層平臺(tái)頂部和側(cè)面，貼著太陽(yáng)電池，裝著各類科學(xué)儀器。而在下層平臺(tái)的下表面，裝著用于著陸的主發(fā)動(dòng)機(jī)和多個(gè)姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)。電子設(shè)備則見縫插針地安裝在各層平臺(tái)上。

在主發(fā)動(dòng)機(jī)的旁邊，還有8個(gè)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)。按照設(shè)計(jì)要求，“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”要在距離月球表面5米的地方關(guān)閉所有發(fā)動(dòng)機(jī)，然后自由落體到月球表面。

由于發(fā)射質(zhì)量只有600千克，推進(jìn)劑攜帶量有限，因此“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”不但要在星際飛行中盡量節(jié)省燃料，還要在著陸過(guò)程中節(jié)省燃料。為此，SPACEIL設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的著陸支腿，打算用U形彈簧減震的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)最后落地的過(guò)程。簡(jiǎn)單說(shuō)，就是把著陸支腿設(shè)計(jì)成套管形式。在兩層套管上各自有一個(gè)鉸鏈，連接著U形彈簧的兩端。

在發(fā)射和整個(gè)飛行期間，U形彈簧是伸展的。進(jìn)入著陸狀態(tài)后，主發(fā)動(dòng)機(jī)把著陸器下降到距離月球表面大概1米的地方，然后關(guān)機(jī)，“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”自由落向月球表面。按照設(shè)計(jì)，這時(shí)候的著陸器姿態(tài)是端正的，四個(gè)支腿能幾乎同時(shí)落地。U形彈簧吸收沖擊的能量后被壓縮成Ω狀，保護(hù)著陸器上的儀器設(shè)備不受沖擊。

然而，這個(gè)獨(dú)特的設(shè)計(jì)并沒(méi)有得到一展身手的機(jī)會(huì)。