近日，印度空间组织公布了与日本合作的月球极地探索任务新方案。在印度“月船3号”任务和日本SLIM月球着陆器、H-3火箭相继成功的基础上，双方将尝试向月球南极投送着陆器和巡视器，勘测水冰资源。那么，这次探月任务有何亮点？双方需要克服哪些困难？未来，随着新技术应用，各国探索月球南极任务有可能出现哪些新迹象？
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优势互补 雄心勃勃
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近年来，日本和印度连续实施探月任务，均取得了一定的成果，也暴露出各自的能力不足，为开展探月合作奠定了基础。2017年12月，日本和印度签订联合探月协议，计划由印度研制着陆器，由日本研制巡视器，并由日本H-3火箭发射，瞄准月球南极。根据双方设计，探测器的发射质量约为6～6.5吨，干重略超过1吨，其中巡视器干重约为350公斤。
今年10月，印度公布了该任务的更多细节，正式命名为“月船5号”，预计在2028年或2029年发射，稍晚于印度独立推进的“月船4号”月球采样返回任务。
日本将为这次发射任务专门打造H-3-24S火箭，第一级使用2台发动机，捆绑4枚助推器，配备短整流罩。日本臼田观测站的64米天线和印度班加罗尔部署的32米、18米天线将执行测控任务。
印度负责为探测器设计飞行轨迹：探测器将被火箭发射至近地点高度250公里、远地点高度14万公里的地球轨道上，随后在轨点火，逐步爬升到远地点高度43万公里的奔月轨道；接下来，预计经过3次近月制动后，探测器将进入近月点高度30公里、远月点高度200公里的月球轨道，并择机实施动力下降，尝试软着陆月面。
该任务规划的理想着陆点位于月球南纬89.45度、东经222.85度，属于沙克尔顿撞击坑边沿，距离月球南极点仅有17公里。两国科研人员预测，“月船5号”着陆误差有望控制在100米内，通过精心分析月面地形，选定较高的山脊线，可以帮助着陆器在较长时间内获得较好的光照条件。
两国科研人员之所以对着陆器的落月精度如此自信，主要原因是今年初日本SLIM探测器成功验证了月球着陆图像匹配制导算法技术，相关成果将应用于“月船5号”任务。当时，SLIM探测器遭遇发动机喷管断裂事故，仍未明显影响着陆精度，可见技术验证相当成功。
不过，“月船5号”任务的着陆器设计仍在变化中。今年9月，印度发布信息显示，着陆器放弃了此前的5台800牛变推力发动机方案，改用1台3100牛变推力发动机配合4台1500牛变推力发动机。10月，方案又变成了2台3100牛变推力发动机配合3台1500牛变推力发动机。
在着陆器安稳落月后，巡视器将从着陆器平台驶下，展开太阳翼，进入范围方圆500～1000米的“探测区域”运行，尝试寻找潜在的水冰资源，并划定安全工作区间。在运行期间，巡视器还将驶入月表永久阴影区，使用多种载荷设备开展探测，包括由探地雷达勘测月面地下结构，由钻机进行1.5米深的钻探作业，获取月壤样品。
与此同时，着陆器将展开大型单片式太阳翼，持续供应电力，计划在月球表面“存活”超过100天。印度空间组织称，这将为印度长期月球任务和“殖民地任务”奠定基础，也是为未来印度建设月球基地积累经验。
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挑战难关 隐患不少
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外界认为，月船5号探测器的一些设计指标超出了印度航天的技术实力，对两国科研人员来说，在多个方面可谓挑战重重。
首先，月船5号探测器的干重仅略超过1吨，去掉巡视器的话，只有700公斤左右。这意味着，探测器为了装载更多燃料，设计预留的冗余较低，结构质量占比甚至低于一些火箭上面级。然而，探测器落月过程中需要熬过动力下降阶段，必须确保耐冲击性能，“占用”一定的质量来强化、完善结构是不可避免的，因此月船5号探测器面临的结构设计挑战较大。
其次，月船5号探测器的发射质量不低于6吨，可能会应用航天史上最重的单体无人月球着陆器，风险不容忽视，对设计水平要求较高。但同期公开的月船4号探测器方案表明，印度航天单位在探月器的结构设计和设备集成方面仍有较大的提升空间。
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再次，着陆器的动力系统存在隐患。今年9月和10月，印度先后公布了截然不同的着陆器变推力发动机组合方案。外界推测，有可能是原方案推力不足，迫使印度空间组织修改设计。在落月过程中，各型号发动机将精准调节推力，通过多台发动机交替关机，努力保障平稳着陆，对可靠性的要求很高。
同时，印度设计的着陆器偏高，有可能难以为巡视器提供合适的坡道。外界认为，印度有可能借助外援，改用类似美国“火星吊车”的方案。
另外，由于预计着陆点的纬度限制，着陆器将在连续半个月内每天与地球有通信“窗口”，随后半个月持续“断联”，最好在大椭圆环月轨道或近直线晕轨道上部署地月中继卫星，保障通信顺畅。印度和日本暂未提出类似任务规划，或许是希望借助西方绕月空间站。
最后，月球南极着陆环境也造成了不小的挑战。月球南极-艾特肯盆地是已知的太阳系最大天体撞击坑，地形地貌被更多天体撞击痕迹“切割”而支离破碎，沙克尔顿撞击坑边沿仅有数百米宽的地区相对适合着陆。届时，着陆器需要借助测距仪等仪器，精准掌握月表复杂地形情况，根据实时测量数据，运用高水平算法，快速响应，调整发动机推力。
2023年4月，日本白兔-R着陆器因为月表复杂地形引发误判，提前控制发动机减速，“盲降”坠毁。“月船5号”想要成功落月，应依靠月球轨道器积累着陆点和下降轨迹附近的地理资料。目前，印度月船2号轨道器仪器开机时间有限，两国可能向其他国家求助。
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全面布局 筹划开发
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为了克服月球南极的不利地形，未来月面巡视器可能会呈现两大发展方向：其一，借助核电源技术进步，部署少数大型核动力巡视器，跨越数千公里，采样数百公斤，勘测多个撞击坑的水冰分布情况；其二，根据具体目标，在通用平台上集成不同的模块化载荷，部署一系列小型巡视器/跳跃器/飞跃器，配合载人登月任务，扩展任务包线。比如，探测器可以跳跃/飞跃进入边沿坡度较陡峭的大型撞击坑，执行多样化任务。
勘测月球水冰资源任务显著促进了航天器钻机发展。预计低于2米的传统钻探深度逐渐不能满足需求，科研人员正在研制钻探深度达10米的新型钻机，扩大采样范围。还有科研人员提出了更加“科幻”的方案：从月球轨道器上投掷“穿透器”，借助高速动能，钻入月表地下更深处勘探。
总之，随着核电源、微光成像相机等新技术应用，在地月空间通导遥综合星座、绕月空间站等支持下，未来探测器有望广泛覆盖月球南极区域，高效完成勘探、开发任务。不过，作为复杂庞大的系统工程，这一切都离不开严谨科学的论证决策、稳妥的技术进步和宏观长远的规划。
本文原载于《中国航天报·飞天科普周刊》
来源/中国航天报
文/张晨
编辑/杨斯爽
审核/穆檀
监制/姜军
本文转载自：中国航天科普
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