SLIM：標新立異的小型月球著陸器

文/石曉龍

北京時間9 月7 日8 點42 分，日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）在種子島航天發(fā)射場，用H-2A 火箭將該機構(gòu)研制的XRISM 望遠鏡（全稱為“X 射線光譜成像任務(wù)），以及日本的又一個月球著陸器——SLIM 著陸器（全稱為“探月智能著陸器”）發(fā)射升空。

JAXA 原計劃使用埃普西隆固體火箭來單獨發(fā)射SLIM，但是由于XRISM望遠鏡的研發(fā)遇到困難，經(jīng)費緊張，因此在2017 年JAXA 決定讓SLIM 著陸器與XRISM 望遠鏡共同搭乘H-2A火箭，以節(jié)省經(jīng)費來補貼XRISM 望遠鏡和其他衛(wèi)星的研發(fā)費用。

此次任務(wù)由JAXA 主導(dǎo)，經(jīng)費預(yù)計為180 億日元，目的是讓日本成為繼蘇聯(lián)、美國、中國、印度后，第五個成功執(zhí)行月球軟著陸任務(wù)的國家。該著陸器的計劃最早在2005年提出，名為“小型月球著陸實驗衛(wèi)星”，但是之后該提案并沒有得到推進，直到2016 年之后才在JAXA 內(nèi)部獲得立項，并由三菱電機公司負責(zé)抓總。該公司也負責(zé)SLIM 著陸器上大部分科學(xué)儀器的研發(fā)和制造。

▲ 日本探月智能著陸器飛向月球渲染圖

SLIM 著陸器原計劃于2021 年發(fā)射，但是由于各種延誤，一直推遲直到今年，而在發(fā)射前又由于臺風(fēng)影響推遲了10 天左右。

▲ SLIM 著陸器1∶2 例模型

“月球狙擊手”

根據(jù)JAXA 對外放出的任務(wù)描述，SLIM 著陸器的使命是：展示未來利用小型航天器進行月球和行星探索所需的高精度著陸技術(shù)。通過展示這項技術(shù)，對引力天體的探索將發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)的“在容易著陸的地方著陸”轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸谀阆胫懙牡胤街憽薄８鶕?jù)JAXA 給出的數(shù)據(jù)，SLIM 著陸器的著陸精度能達到100 米以內(nèi)，也因此獲得了“月球狙擊手”的外號。

“利用像SLIM 這樣的小型航天器進行著陸演示在世界上是獨一無二的，隨著SLIM 項目的實現(xiàn)，在航天器重量和攜帶資源限制比月球更為嚴格的行星上著陸將成為現(xiàn)實。此外，如果將來從月球進行樣本返回，則有可能通過從月球發(fā)射SLIM 級大小的返回飛行器，將與‘隼鳥’等探測器相同大小的太空艙送回地球?！睆腏AXA 對著陸器的描述中可以看出，該著陸器是一型試驗性質(zhì)較強的著陸器，其主要目的并非攜帶大量科學(xué)儀器對著陸區(qū)域進行科學(xué)探查，而是對其高精度著陸能力進行研制，并試圖在成功后將其推廣到其他著陸器上。如果其運用的高精度著陸技術(shù)成功得到驗證，那么以后使用這種技術(shù)的著陸器對落區(qū)范圍的選定將會大大拓寬，并且更容易在一些以往難以著陸的地方著陸。JAXA 認為，SLIM 著陸器若成功，將會帶來一種可在其他比月球環(huán)境更為惡劣的行星上進行作業(yè)的小型平臺。

SLIM 著陸器也需要對其著陸范圍進行探查，其預(yù)定著陸地點為月球南半球酒海區(qū)域的一個撞擊坑。此處環(huán)境較為復(fù)雜，大概率會降落在一個有傾角的斜坡上，因此對著陸器的避障能力和著陸精準度提出了更高要求。SLIM 著陸器將攜帶多波段相機和光譜相機來檢查表面成分，助力對月球起源等課題展開研究。由于其內(nèi)部并不攜帶核熱裝置來保持內(nèi)部溫度，因此其任務(wù)周期很短，持續(xù)時間預(yù)計只有其著陸后剩下的月晝時間。

▲ 日本H-2A 火箭將XRISM 望遠鏡和SLIM 月球著陸器成功發(fā)射

▲ SLIM 著陸器落月渲染圖

著陸器的結(jié)構(gòu)

SLIM 著陸器是一個非常小的著陸器。從其正面看，長2.4 米，寬2.7米，高1.7 米，著陸器干重200 千克，發(fā)射質(zhì)量在700 千克左右。

▲ 500 牛發(fā)動機

▲ 20 牛發(fā)動機

著陸器的推進系統(tǒng)由14 個發(fā)動機組成。主發(fā)動機為2 個500 牛的變推力發(fā)動機，用于著陸器在飛行過程中的加速、剎車與姿態(tài)控制；12 個20 牛發(fā)動機用來輔助主發(fā)動機調(diào)整著陸器的姿態(tài)，調(diào)整著陸器的俯仰與滾轉(zhuǎn)姿態(tài)。

推進系統(tǒng)內(nèi)部的單個大燃料罐值得一提。它被設(shè)計為整個著陸器的主要結(jié)構(gòu)，內(nèi)部由聚四氟乙烯制成的薄膜將氧化劑與還原劑分隔開，使用復(fù)合材料來打造中部外殼。在整個著陸器的結(jié)構(gòu)中，燃料罐不但被用于儲存發(fā)動機使用的自燃常溫燃料，還被當(dāng)作著陸器的主要結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了“一舉兩得”的效果。

▲ 被作為核心結(jié)構(gòu)的儲罐

▲ 夏普公司提供的太陽能電池

著陸器的電力系統(tǒng)較為簡單。電力完全來自于其覆蓋在著陸器正上方的太陽能電池。太陽能電池的基質(zhì)為輕質(zhì)透明薄膜。著陸器上的所有太陽能電池都由夏普公司提供，這些輕型太陽能電池效率據(jù)稱能達到32.65%的轉(zhuǎn)化效率，能在日照時為著陸器提供充足的電能。著陸器同時還使用了新型鋰離子電池。著陸器的電力分配由安裝在內(nèi)部的綜合電力控制單元控制，可控制鋰離子電池的充電和放電、太陽能發(fā)電的調(diào)節(jié)等。

著陸器的導(dǎo)航控制與通信部分由以下幾個部分組成：

綜合控制計算機。它控制著陸器內(nèi)的所有電子設(shè)備，也用于在著陸時分析數(shù)據(jù)處理，向著陸器各個部分發(fā)出正確信號以完成著陸。

著陸雷達。它會在著陸前開始工作，將在著陸器著陸前向月球表面發(fā)射微波并通過反射回微波的往返時間來為計算機提供著陸器高度數(shù)據(jù)。

激光距離測量器。這是一種光敏感器，用于在著陸前測量高度。它用于接收從月球表面反射的調(diào)制激光，并根據(jù)其相位計算距離。它的特點是緊湊和輕便。

導(dǎo)航相機。用于在著陸階段對月球表面進行成像。它可以同時輸出用于基于視覺的導(dǎo)航的未壓縮圖像和用于下行鏈路將信號返回地球的壓縮圖像。兩個攝像頭安裝在不同的方向，分別在動力下降和垂直下降階段使用。通信部分著陸器使用一個S 波段信號收發(fā)器來作為與地面溝通的手段。

著陸器的著陸機構(gòu)是SLIM 著陸器的一個亮點。SLIM 著陸器將使用一個頗為新穎的方式來進行著陸。它將在離月表15 千米左右時開始進行降落操作。在此過程中，導(dǎo)航相機和雷達將會對高度和地形進行持續(xù)監(jiān)測，盡量維持高度，此時著陸器的姿態(tài)為橫躺；在接近預(yù)定落區(qū)時，著陸器將會逐漸將姿態(tài)轉(zhuǎn)為豎直，通過發(fā)動機的剎車制動減少著陸器在豎直和水平方向上的速度，直到水平速度為0，然后控制著陸器緩慢下降。在離地面高度為7 千米時，著陸器會繼續(xù)垂直下降，直到離地面只有數(shù)十米左右時，著陸器腹部對向月表，然后通過點燃兩個20 牛發(fā)動機將著陸器頭部拉高，讓著陸器主腿（有三個接地點的一側(cè)）先接地，然后在引力作用下讓前腿再著地，完成著陸。

采用這一套著陸器系統(tǒng)的好處是，可以省去大量原本著陸器應(yīng)該攜帶的緩沖機構(gòu)。為了實現(xiàn)這一套操作，設(shè)計團隊在著陸器上使用了一套在過去著陸器上從未見過的“材料緩沖機構(gòu)”。著陸器上總共有5 個與月表接觸的受力點，在這5 個受力點上，設(shè)計團隊各放上了一個由鋁合金編織成的球狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部呈晶體結(jié)構(gòu)，在受到外部沖擊后這5 個結(jié)構(gòu)會在外部壓力作用下向內(nèi)部收縮，吸收撞擊帶來的沖擊。由于著陸器本身重量不大，著陸腿本身不帶有緩沖結(jié)構(gòu)，整個著陸結(jié)構(gòu)的重量相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡化，既減少了成本又減少了重量。

雙子可移動裝置

設(shè)計團隊在SLIM 著陸器這個迷你的體型上安裝了兩種十分特別的超小型月球車。不過根據(jù)它們的移動方式和功能，叫它們移動裝置更為妥當(dāng)。

▲ SLIM 著陸器著陸過程示意圖

▲ SLIM 著陸器著陸過程具體分解圖

▲ 安裝于著陸器底部的鋁金屬結(jié)構(gòu)

一個是月球移動裝置1 號，重量約2.1 千克，尺寸為26 厘米x40 厘米x30 厘米。這是一個具有彈跳能力的小東西，其重心集中于頭部，可以通過電動彈跳裝置的支撐與地面之間構(gòu)成一個三角形。通過設(shè)計，它在彈跳后，一定能保持頭朝上的狀態(tài)。它上面裝有溫度計以測量月表溫度；裝有輻射檢測儀以監(jiān)測月表輻射水平；還有傾角儀用來測量其所在月表的傾斜狀態(tài)；加速度計用于測量其彈起時受到的重力加速度；攝像頭可用于探查周圍情況。其上搭載的設(shè)備可以與地球直接通訊，在頂部有太陽能電池來提供電力，預(yù)計可在月表活動40分鐘以上。

另一個是月球移動裝置2 號，重量約200 克，尺寸為接近80 毫米的球形。整個裝置的尺寸大小和棒球差不多。它通過爬行來移動其位置，但是與其他采用輪子的月球車不同，它通過改變自身的形狀并旋轉(zhuǎn)分為兩邊的半球來在月表移動，只搭載了兩個攝像頭來檢測前后環(huán)境，預(yù)計能在月表活動2 小時左右。該移動裝置結(jié)合了一些兒童玩具的變形設(shè)計。日本玩具開發(fā)商TOMY 參與研發(fā)了該移動裝置采用的小型化、輕量化技術(shù)和變形機構(gòu)。

月球遠征軍中的一員

SLIM 著陸器與印度的“月船3 號”著陸器同樣采用了低能量轉(zhuǎn)移軌道，其轉(zhuǎn)移過程將會耗時3～4 個月。在成功進入月球軌道后，按照計劃，它將在月球軌道上再停留約1 個月的時間，再在之后1～2 個月中伺機著陸。著陸時間預(yù)計為2024 年1 月或2 月。

▲ 月球移動裝置1 號

▲ 月球移動裝置2 號

▲ 月球移動裝置2 號展開渲染圖

從所搭載的科學(xué)儀器數(shù)量上來看，很明顯，該著陸器的主要目的是驗證高精度著陸技術(shù)，科研探測并不是其主要任務(wù)。著陸器帶來的科學(xué)價值并不大，不過其發(fā)射本身就是一件頗有意義的事——21 世紀的月球大探索時代真的要來了。

2023 年確實可以被稱為月球探測大年，截至9 月份，已經(jīng)有來自印度、俄羅斯和日本3 個國家的月球著陸器前往月球。其中，俄羅斯的月球25 號著陸器不幸地因故障在著陸前就墜毀于月球表面，但是印度的“月船3 號”則完美地成功著陸，在中國“嫦娥三號”成功著陸約10 年后成為第四個成功軟著陸月球的國家。而在今年預(yù)計還會有兩個來自美國的月球著陸器前往月球，一個是由“直覺機器”公司所研發(fā)的“新星-C”著陸器執(zhí)行的IM-1 任務(wù)，另一個是由“天體機器人”公司研發(fā)的“游隼”著陸器執(zhí)行的“任務(wù)一”任務(wù)。這樣的月球探測器發(fā)射密度是過去從未有過的。

而接下來的2024 年將要發(fā)射的月球著陸器數(shù)量更為驚人。除我國將在2024 年執(zhí)行“嫦娥六號”月球南極樣本返回任務(wù)以外，來自美國和日本的月球探測任務(wù)可能達到十個甚至更多。這樣的任務(wù)密度在上個世紀美蘇太空競賽的巔峰時期也是難以想象的。在太空競賽結(jié)束約半個世紀后，月球再一次成為了焦點。