客观日本

事不过三——日本月球探测器开发之管见

2024年02月09日 海洋宇宙

2024年1月20日,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)的月球探测器SLIM在月球表面着陆,成为继苏联、美国、中国、印度之后,第五个探测器着陆月球的国家,实现了日本酝酿了20多年来的探测月球愿望,为月球探测热再次升温。

有句谚语“事不过三”。这次月球探测器着陆是日本对登月的第三次挑战,前两次均宣告失败。2022年11月22日,JAXA开发的超小型月球探测器OMOTENASHI在进入月球轨道跟火箭分离以后失联;2023年4月26日,日本初创企业ispace作为挑战探月的世界上首家民营企业,其开发的登月器搭乘美国民营企业SpaceX的火箭进入了月球轨道,但因登月器燃料用尽而坠落月球。所以这次SLIM着陆月球,完全应验了“事不过三”。

从1966年苏联的探测器成功着陆月球,到1969年美国阿波罗11号载人飞船登陆月球,至今已过去五六十年的时光,但登月对人类而言依然是一件困难的任务。光线一秒可以从地球到达的月球,以人类现有的科学技术要考虑很多的参数——重力、大气、尘埃、光照等环境因素与宇宙飞行器的相互作用有太多的组合,这对于工程设计与实现构成了很大的挑战,一个项目要经过无数次的预测与调试,花费大量的时间和费用。本世纪以来连续登月成功的只有中国宇航局的嫦娥工程,这是一项绵密设计的国家项目。相比之下,日本的JAXA与民营企业能够调动的资源就比较有限。

日本政府在2021年12月底,对作为“宇宙政策基本方针”的“宇宙基本计划工程表”进行了修订,明确表示在2020年代的末期实现载人登月。JAXA的SLIM登月成功,也意味着该计划的切实推进。

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月球探索器SLIM示意图,出自三菱电机官网

SLIM是由三菱电机公司研制的月球探测器。SLIM是英文“智能探月器”(Smart Lander for Investigating Moon)词头的缩写,SLIM单独构成一个词以后的意思是“苗条” 。SLIM身长2.4、体重210公斤,作为一个天体探测器,确实够苗条的。三菱电机的官网将SLIM项目的目标锁定为两项,即用小型探测器实现高精度登月,以及通过轻量月球探测器系统实现月球探测的高频度化。

JAXA这次月球着陆就实现了目标地点100米以内的精确着陆,这也是迄今为止人类登月器在月球上最准确的定点着陆。日本的月球探索目的是月球资源的开发,因此,定点着陆意义重大。迄今为止,各国登月都是选择比较平坦的容易着陆的地方,着陆精度为数公里到十几公里。由于美日通过绕月卫星已经获得非常精细的月球表面地形的数据,今后月球资源开发,寻找冰与水资源就首当其冲。人类想要长期滞留在月球,就必须找到在月面自给自足的方法。

水不仅是维持生命的最基本要素,还可以将水分解制作火箭的燃料。以前的研究,检测到的水冰大多位于大陨坑的底部。这些地方温度极低,地形险峻,而且没有太阳光照射,所以负责水冰搜索和采集的机器人探测器如果轻量且能实现定点着陆,就可以向锁定的资源目标点降落。为此,JAXA自主开发了一种叫做“图像参照航法”的技术,即SLIM用自身携带的摄像机对月面拍照,然后参照绕月卫星SELENE等航天器拍摄的以往的月球表面的岩石与陨石坑照片,比对相互的位置,自动回避障碍物,调整降落的地点。这种技术类似于数码相机的人脸识别功能。

探月器离开地球轨道以后必须独立处理与处置所遇到的问题,尤其是当飞到月球背面时,与地球的通信中断,自主运行就成为关键。

因为SLIM着陆月球时出现意外,处于倒立状态,太阳能电池无法接受到阳光,只好进入休眠状态,JAXA官员答记者提问时慎重地说,这次登月只能打60分。但是,从实现了定点着陆并成功地将飞行数据传回指挥中心来看,这些成绩意味着日本在月球探测上迈出了一大步。

日本在宇宙开发方面紧随美欧,JAXA与美国的NASA紧密合作,在运作方面也在学习NASA的模式。譬如,从本世纪初开始,NASA采取鼓励民营企业参与宇宙开发的方针,即官民一体化政策。首先,将对宇宙空间站的运输对民间开放,涌现出像SpaceX这样一批优秀的民营公司。NASA则成为民营企业的客户,在资金与技术上对选定的民营企业加以援助,并享受他们提供的服务。

日本近年也出现了一批像ispace这样的初创企业,这次承担SLIM照相机开发的是立命馆大学宇宙地球探测研究中心。但是,宇宙航天的研究开发主要还是由JAXA承担,民营企业的参与还停留在“合作开发”的范畴。与美国相比,日本的初创企业尚不活跃,日本政府对初创企业的支援力度有待提高。相信熟悉日本“官民合作开发”运行模式的读者会有这样的感触,即这样比较松散的模式,在一定程度上可以吸收民间的智慧,但是,对于落实研发成果,如何最大程度地激励民间竞争,这样的机制就显得还有许多地方需要完善。

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对搭载于SLIM上的照相机实施操作训练的立命館大学开发成员

其实,包括月球探测在内,日本在宇宙开发上还是有一定分量的。国际空间站(ISS)就有一间叫做“希望”的日本实验栋。给国际空间站提供补给的有日本的“鹳鸟号”补给机。日本在国际空间站取得了一系列的实验成果,如冰结晶成长、犬用人工血液合成、黄瓜发芽机制、遗传基因的发现、超新星的痕迹发现、利用线虫增减肌肉的机制等等。

在大型火箭开发方面,日本开发有纯国产的H系列火箭;卫星开发方面,日本自主开发了门类齐全的卫星,包括气象卫星、通信卫星,科学实验卫星等。早在2003年日本就发射了小行星探测器,在航行60亿公里之后的2010年回归地球。这是世界上首次从小行星采集到样本。

回溯历史,以早期隶属于东京大学生产技术研究所的一个研究小组发足的日本宇宙开发活动,现在已经发展成为首相直辖的跨中央政府机构的国家宇宙产业。这两年不断有初创企业参与到宇宙开发事业里来,官民一体化模式运作良好的话,不久或许可以看到日本载人登月成为现实。

供稿 / 戴维
编辑 JST客观日本编辑部