揭开俄“月球-25”老底:盲降登月,关键设备造不出,落后于印度

俄航天集团发布消息表示,目前“月球-25”号探测器所有系统工作正常,通信稳定,部分科学仪器也已启动并进行了测试,遥测信号显示一切正常。在此之前,上周六21时05分,轨控发动机点火46秒,成功实施了第一次轨道修正。按照计划,探测器将于8月16日实施近月制动进入绕月轨道,并于8月21日实施登月任务。

对于俄“月球-25”号探测器,印度网友是五味杂陈的,因为这个探测器发射时间更晚,但却将先于他们的月船三号探测器登月,是典型的后发先至:

印度网友评论

“月球-25”号的首选着陆区是月球正面南半球高纬度区域的“博古斯拉夫斯基撞击坑以北地区”,具体坐标是43.54°E,69.54°S,与印度月船三号的计划登月点仅相隔120公里。

虽然媒体都在宣传“月球-25”号与月船三号都将登陆月球南极区域,但那里真的不是月球南极,因为根据月球黄道面与白道面夹角计算,其极区的纬度划分是南北纬86°以上区域。

红圈内是有极昼极夜现象的月球南极

在上图中,月船三号与“月球-25”号的着陆点不仅不在红圈内,甚至无法在该图中标示出来,因为他们的着陆点纬度连南纬70°都没能逾越。

它们去的地方顶多只能算是月球高纬度区域,人类首次月球南极登陆任务还得看我们多器组合的嫦娥七号,再过几个月,服务嫦娥七号的中继通信卫星鹊桥二号就将迎来发射之期。

由服务舱、着陆器、月球车、飞跃探测器组成的多器组合的嫦娥七号探测器构型图

嫦娥七号的首选着陆点位于真正的月球南极极圈内

为什么俄“月球-25”号与印度月船三号都想去月球南极?

因为月球极区有两大战略资源:水资源与连续光照。

根据嫦娥五号采集的月壤研究结果显示,太阳风中的氢离子与月表物质中的氧结合,形成羟基或水分子,并维持月球表面的水循环。这表明,即便是月球的非极区区域也存在水资源。而月球极区的永久阴影区里温度更低,有更多易提取的水资源以冰的形式存在,这一推测已经被绕月卫星获得的遥感数据所证实。

嫦娥五号月面采样作业画面

在月球极区高海拔地区可以进一步延长极昼现象,这样一来探测器的太阳能电池就可以有更长的充电时间,能源获取更方便,利于长期高效探测。

月球南极沙克尔顿撞击坑,可见连续光照区与永久阴影区。

为什么“月球-25”号可以后发先至?能否就此证明其相较于月船三号的先进性?

先来看他们各自发射用火箭的运力,用于月船三号发射任务的LVM3-M4火箭的地月转移轨道运力约有2.38吨,承担“月球-25”号发射任务的联盟2.1b火箭的地月转移轨道运力是2.35吨。

发射俄“月球-25”号探测器的联盟1.5b运载火箭

发射印度月船三号探测器的LVM3-M4运载火箭

在两款火箭运力大体相当情况下,“月球-25”号之所以能够后发先至,是因为探测器本身的重量更轻,其发射质量仅有1.8吨,而月船三号则是3.9吨,超出了LVM3-M4火箭的地月转移轨道运力,因此后者并不能直接进入用时更短的地月转移轨道,而需要借助地球引力进行加速抬升轨道。

印度月船三号探测器地月转移轨道示意图

俄“月球-25”号探测器地月转移轨道示意图

为什么月船三号更重?是因为设计落后吗?

并不是,因为月船三号所承担的工程任务更多,“月球-25”号仅用于原位着陆探测,就是说,它只是一个着陆器。

俄“月球-25”号探测器

月船三号就不同了,其登陆月面的不仅仅有着陆器,还有月球车,为了保障月球车驶离着陆器至月球表面,还需要配套的坡道转移机构,在整个探测器的设计框架内,这是需要占用重量资源的。

印度月船三号探测器

月船三号的月球车驶离着陆器测试

后发先至的“月球-25”号能重振俄昔日的航天雄风吗?

过去,在我们的字典里,俄航天历来是世界航天第一梯队成员,因为他们是载人航天大国,且年均航天发射次数位居世界前列,还有一系列大推力火箭发动机技术。

然而,历史从来不是一成不变的,以现在的视角看,那些他们曾经的强项也正在变为弱项。

俄联盟系列载人飞船

随着近年来封锁措施的逐步升级,俄国际航天市场份额急剧缩小,在国际空间站行将就木的背景下,俄载人航天事业更是后继乏力,年均航天发射次数也是大幅萎缩。

实际上,“月球-25”号是俄立国以来成功发射的第一个深空探测器,虽然“月球-25”号有很多诸如“月球-24”号、“月球-23”号等“老前辈级月球探测器”,但那早已是前朝往事。

“月球-25”号发射之日与“月球-24”号任务之间相隔了四十七年之久,月球探测等于中断了将近半个世纪,许多配套产业链早已不复存在,人才队伍的断档问题也更为严重。

将近半个世纪前的“月球-24”号探测器是一次月球采样返回任务

所以,俄航天的本轮探月工程几乎就是重头开始,后续计划中的“月球-26”号、“月球-27”号、“月球-28”号等任务安排,与我们嫦娥探月工程的绕落回三步走规划是高度相似的。

俄未来的“月球-28”号采样返回任务仍是上世纪“月球-24”号的翻版。

虽然相似,但他们内在的科技含量却要低的多,比如未来旨在实现月球采样返回任务的“月球-28”号,仍然是上个世纪的月面直接起飞返回方案,无法像嫦娥五号那样基于环月轨道无人交会对接方案实施,这意味着其月壤采样量将会少得多。

嫦娥五号环月轨道无人交会对接

“月球-25”号事实上仍是继承技术遗产的产物,许多关键技术仍未突破,甚至表现出落后于印度月船三号的一些技术特征。

“月球-25”号探测器项目发起时间可谓是相当久远,早在2005年就已经开始,后经数次推迟,在此期间,俄航天发射了福布斯-土壤火卫一采样返回探测器,该探测器搭载了我们的萤火一号火星探测器,由于服务舱故障导致该探测器地火转移失败,最终再入地球大气层销毁。

福布斯-土壤火卫一采样返回探测器

福布斯-土壤探测器与“月球-25”号应用了相同类型的计算机控制系统,由于前者的失败,导致后者几乎要推倒重来,于是发射时间再次大幅延后。

说到这,其实印度月船三号与俄“月球-25”号也有着某种程度的内在联系。月船三号是月船二号登月失败后的复制升级产物,而月船二号早期是与俄联合研制的,由于福布斯-土壤探测器的失败,导致由俄负责研制的月船二号着陆器项目搁浅,最终印度不得不独立完成月船着陆器。

印度月船二号着陆器曾计划让俄航天负责研制

由于“月球-25”号发射时间屡屡推迟,原本计划合作搭载由瑞典研制的中性原子探测仪最终退出该项目,转而与我国合作,目前该载荷正搭载于玉兔二号月球车在月球背面进行巡视探测。

之所以说“月球-25”号是继承技术遗产的产物,是因为其登月技术几乎毫无创新,甚至继续沿用半个世纪前的无人登月技术(盲降登月),其登月避障能力连印度月船三号探测器都不如(该探测器具备概略避障能力),这是让人颇为惊讶的。

“月球-25”号探测器

印度月船三号配置的避障相机

月船三号可在1300米高度悬停

先来具体看看“月球-25”号探测器的一些技术特征:

“月球-25”号探测器由上半部分的载荷仪器舱与下半部分的推进着陆舱两大结构组成。

登月大戏主要看后者,推进着陆舱的任务有,地月转移、近月制动、环月飞行、登月着陆任务,该舱段配置有4个燃料贮箱、4条用于缓冲着陆的支撑腿,动力配置有1台4700N主控发动机,可在83%至100%推力区间变化,可承担轨道控制、着陆下降减速任务,其变推力能力与印度月船三号的4台800N下降发动机类似,与之对比嫦娥三号、嫦娥四号、嫦娥五号使用的7500N变推力发动机的推力变化区间是16%至110%。

由于“月球-25”号的4700N主控发动机变推力能力有限,所以增配了2台600N小推力发动机,以适应着陆任务对速度的控制需求。除此之外,还有12台姿控发动机。

“月球-25”号可提供足够的速度增量,使其在完成近月制动任务后直接进入平均距离100公里的环月轨道,待测控、月面光照符合设计要求时,再进入近月点18公里的下降登月轨道。与之对比,嫦娥系列着陆器的登月起点高度是15公里,月船三号则是30公里。

自18公里高度开始,“月球-25”号进入动力减速阶段,此阶段依靠主控发动机大幅消减下降速度,待抵达距离月面3公里高度时探测器进入快速调整段,探测器姿态转为垂直下降姿态,距离月面约700米高度时,反推动力以最大推力模式运行,距离月面20米高度时以小推力模式运行,预计此刻4700N主发动机将关机,主要依靠2台600N小推力降落发动机。可以看到,他们并没有悬停避障段任务安排。

回首20世纪,除有人参与的阿波罗计划外,人类发射的无人登月探测器均不具备障碍规避功能,只能选择大片开阔平坦区域作为登陆点,然后着陆器沿着设计的弹道、速度下降,着陆末段不具备障碍识别与机动规避能力,成功率普遍偏低,这种登月方式被后人称为“盲降”。

盲降登月的俄“月球-24”号探测器距离大型撞击坑边缘仅十几米(月球系列11次采样返回任务,仅3次成功。)

盲降登月的美“勘测者-3”着陆器在月面弹跳了两次

直到21世纪,我国嫦娥三号探测器才首创粗避障+精避障基于机器视觉理念的自主避障登月技术,从而终结了人类无人探测器盲降月球的历史。

令人意想不到的是,俄“月球-25”号要开登月技术历史的倒车了,他们将以复古的形式再次盲降月球,这并不是信口开河,而是有权威资料佐证。这是笔者查询到的俄科学院空间研究所的报道原文:着陆区必须相当大(30X15公里椭圆),因为着陆器在着陆阶段没有主动机动系统。

报道截图如下:

即便是盲降月球所需的捷联惯性导航装置、微波测距敏感器、微波测速敏感器也是耗费了十几年时间才研发成功,可谓是费了九牛二虎之力,一方面是因为欧洲不再向俄出口关键元器件,另一方面也是因为其自身没有配套产业链。

这些关键组件研发迟缓恰恰正是“月球-25”号探测器发射时间屡屡推迟的关键原因。

为什么“月球-25”号不能具备自主避障功能?为什么如此基础的一系列组件研发进度缓慢?

这还得说是他们自力更生的能力太弱,“月球-25”号原本是可以在自主避障技术上进行一定程度的探索,因为它原计划搭载名为“COU”的光学相机,该载荷由欧空局负责研发,旨在验证安全着陆的相关技术,该载荷可能助力“月球-25”号初步具备障碍识别与机动能力,这一点在早期的宣传视频中有所呈现。

两年前,俄“月球-25”号探测器早期宣传视频显示,该着陆器此前是具备末段障碍识别与规避功能。

撤出俄“月球-25”号探测器的欧空局“COU”光学相机

然而,由于众所周知的战争因素,欧空局取消了该载荷的合作计划。因此,俄“月球-25”号探测器就只能盲降登月。

“COU”的光学相机只是演示验证载荷,按照计划,欧空局真正具备障碍识别与着陆点选择功能的PLIOT载荷计划到2025年才能具备飞行能力。

这说明什么?说明他们苦苦追求多年的高技术装备,我国早在将近十年前就已经拥有。

PLIOT精确智能着陆系统是由着陆摄像头、3D成像激光雷达、着陆处理单元组成,其中的核心技术装置就是3D成像激光雷达,这其实与我们嫦娥系列着陆器早已久经战阵的“激光三维成像敏感器”是同类装备。

嫦娥系列着陆器配置的激光三维成像敏感器

嫦娥系列着陆器配置的激光三维成像敏感器配合激光测距敏感器,可以在嫦娥系列着陆器距离月面百米高度悬停时,只用五六秒时间就可完成两个关键动作:

首先是对着陆区进行高精度三维成像,再就是对三维成像信息进行网格数据化处理,进而快速选定安全着陆点,此项技术已经助力嫦娥系列着陆器三战三捷,成功率高达100%。

嫦娥系列着陆器激光三维成像敏感器作业效果图

嫦娥三号精确避障缓速下降

换句话说,他们梦寐以求的高技术装备,我们不仅早已攻克,而且已经全面应用,不仅在登月任务中用,甚至连天问一号火星登陆任务中也有使用,正是由于有诸多高技术货架装备,我们才能在首次独立探火任务中创造一次发射实现火星探测绕落巡这一史无前例的成就。

天问一号着陆平台激光三维成像

截至目前,我国仍是唯一成功研发激光三维成像敏感器,并将其广泛运用于地外天体登陆任务的国家。

对于“月球-25”号而言,如果说掌握激光三维成像敏感器这种技术难度太高,退一步,能不能像印度月船三号那样,人家好歹也有基于光学成像敏感器的概略避障能力(针对较大的障碍物进行机动规避),但实际上,“月球-25”号连这种基础的避障功能也没有,它倒是配置了几台光学相机,但这些相机里有几台是给其着陆后用于挖取月壤的机械臂使用,在着陆过程中倒是也有相机可用,但也只是用于记录着陆过程中的影像,在着陆后再将影像数据回传地球,以便确认着陆器登月后的精确位置。

谈及至此,不免想起原黑海造船厂厂长马卡洛夫对瓦良格号航母说出的那番话:

如果想要瓦良格号航母下水,我需要……9个国防工业部门,还有600多个相关专业和8000多家配套厂家,总之要有一个伟大的国家才能完成,然而这个国家已经不存在了。

真的不存在吗?

去东方,穿过第聂伯河,翻过乌拉尔山脉,在西伯利亚平原的尽头,那里还燃烧着星星之火,这里的人们已经让瓦良格号航母换羽重生,还有闪耀太空独立由一国承建的大型空间站,有同时巡视探测两颗地外天体的强大航天实力,接下来还将实现人类21世纪的首次载人登月,首次火星采样返回……人类应当庆幸,科技掌握在文明手中。

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