印度月船三號打破登月精度紀錄,公佈着陸座標,超3臺嫦娥着陸器

本週三,印度空間研究組織在社交平臺先後公佈了兩張月船三號探測器維克拉姆着陸器的月面照,照片由着陸器釋放的普拉岡號月球車導航相機拍攝。

可以看到,着陸器在畫面中的位置有點偏上,這是因爲普拉岡號月球車沒有相機桅杆,相機安裝高度較低導致。

普拉岡號月球車的導航相機安裝位置有多低,看下面這張圖就知道了:

普拉岡號月球車駛離着陸器的地面測試(藍框內便是月球車導航相機)

在公佈第二張着陸器月面照時,任務團隊特意附上了此次登月任務的着陸座標:69.373°S,32.319°E:

這個座標再次證明,月船三號此次登陸的位置並不是月球南極區域,因爲其緯度沒有突破月球南極極圈緯度86°S,甚至連70°S都沒能逾越。

月船三號之所以無法去真正的月球南極區域,主要還是因爲測控通信瓶頸,雖然有月船二號軌道器可以作爲中繼星使用,但由於其運行軌道低,過頂時間太短,並不足以支持月船三號在月球南極區域的高效探測。

86°S以南區域纔是月球南極(紅圈內),月船三號的落月座標點並不在此圖中。

比起大家千呼萬喚的月船三號着陸器月面照片而言,價值更大的還是任務團隊在照片中附上的着陸點座標,這個座標點除了說明其登陸位置不是月球南極區域,也證明月船三號此次登月任務打破並刷新了一項世界紀錄,這個紀錄就是:迄今爲止,人類無人着陸器最高登月精度。

月船三號在登月任務開始前,地面人員選擇的着陸點座標是69.367°S, 32.348°E,其與“實際着陸點”之間的偏差距離僅有約360米。

在月船三號登月以前,人類無人着陸器最高登月精度是由嫦娥系列着陸器創造:

嫦娥五號着陸點偏差是2.33公里,嫦娥四號着陸點偏差是千米量級,嫦娥三號着陸點偏差約600米。

嫦娥五號着陸點相較於地面選點的位置偏差

嫦娥四號着陸點相較於地面選點的位置偏差

嫦娥三號着陸點相較於地面選點的位置偏差

三次嫦娥系列着陸器登月任務中,最高落點精度是由嫦娥三號創造。需要注意的是,這裡的着陸點偏差指的是,地面選擇着陸點與實際着陸點之間的偏差。

除此之外,還有兩個偏差數據經常被引用,就是導航誤差、相對着陸器自主選擇安全着陸點偏差。

導航誤差指的是,着陸器開始登月下降前的預測着陸點與實際着陸點之間的偏差。

相對着陸器自主選擇的安全着陸點偏差指的是,着陸器在距離月面百米高度時基於機動避障需要,由激光三維成像敏感器選擇的安全着陸點與實際着陸點之間的偏差。

嫦娥三號着陸器

不論是導航誤差數據,還是相對着陸器自主選擇安全着陸點偏差,都並非由地面選定的唯一着陸點,而是處於動態變化的着陸點。

真正的指哪落哪,顯然是定點着陸。

尤其是未來,以嫦娥七號爲代表的新一輪月球探測任務大部分都將聚焦月球南極區域,在那裡太陽高度角很低,連續光照區範圍狹小,且隕石坑密集分佈,隕石坑坑壁也更爲陡峭,需要通過高分辨率月面照片來選定着陸點,並通過新技術排除一切不利因素,瞄準選定的着陸點登陸。

當然,也允許在一定範圍內由探測器自主選擇最終的安全着陸點,但這個範圍一般不會很大,通常不能超過100米,否則就可能落在無光照的陰影區,或隕石坑內,直接影響登月成敗。

靠近月球南極極點的沙克爾頓隕石坑,陽照區與陰影區交錯分佈。

在嫦娥系列着陸器之前,人類無人探測器的登月偏差通常都是幾十公里至幾公里,所以說,在月船三號以前,人類無人着陸器登月精度是由嫦娥三號保持,但目前這一紀錄將暫時讓位於月船三號。

爲什麼月船三號可以創造360米的登月精度紀錄?

嫦娥系列着陸器的登月精度控制主要是通過精確的軌道控制加以實現,這就像是射箭一樣,當箭離手的那一刻,基本就決定了射靶精度。

比如嫦娥四號爲了登陸月面地形崎嶇的馮·卡門隕石坑,需要儘可能消除軌道殘差,所以嫦娥四號不像嫦娥三號那樣,後者進入繞月軌道僅一星期後就實施了登月任務,而嫦娥四號則是繞月飛行二十多天之後纔開始登月,這二十多天就是用來消除軌道殘差,以實現定時定點着陸,但這裡的定點着陸只是相對於面積仍然較大的馮·卡門隕石坑(直徑約90公里)而言。

嫦娥系列着陸器相較於月船三號着陸位置偏差較大的原因,主要是因爲後者應用了地形相對導航技術(圖像匹配),使得它可以預報更爲準確的落點偏差,並加以修正。

月船三號曾在距離月面70公里處使用着陸器位置檢測相機對月面成像,它會將成像圖像與機載預儲存圖像進行匹配,進而解算出着陸器的精確空間位置,然後就可以精確預報落點偏差,並通過軌道調整加以修正,進入登月任務後,月船三號着陸器又在距離月面800多米處懸停,再次進行圖像匹配,確認是否處於預選着陸區上空,兩次圖像匹配促成了月船三號較高的落點精度。

月船三號距離月面約812米時垂直速度降爲零,第一次懸停,後續還有150米高度第二次懸停。

前文也說了,要登陸月球南極區域,着陸位置偏差需控制在100米以內,而月船三號此次登月偏差是360米,所以我才說,這個世界紀錄只能暫時讓位於月船三號,因爲兩三年後的嫦娥七號將王者歸來。

月船三號只能算是初步應用了地形相對導航技術,還沒有實現高水平的應用,它只能實現在登月前和登月過程中進行兩次圖像匹配,只能算是“準定點着陸”,或者說是“初步具備了定點着陸能力”。

真正的高水平應用是,基於圖像匹配,不斷預報落點偏差,並在動力減速段就可以通過變推力發動機進行推力調節,以實現下降軌跡在較大範圍內的修正,從而實現更高精度的落點控制,嫦娥七號就將具備這樣的能力,因爲它所要登陸的區域是真正的月球南極區域。

高水平的定點着陸是在主減速段可以根據落點預報誤差主動修正軌跡,印度月船三號沒有這個能力。

至於月船三號是不可能有這樣的能力,一個決定性因素就是它沒有深度節流大範圍變推的變推力發動機,其着陸器配置的4臺800N變推力發動機只能在80%至100%推力區間實現推力變化,由於不是專門設計的變推力發動機,推力調節的誤差也更大。

月船三號維克拉姆着陸器的4臺800N發動機

反觀嫦娥系列着陸器則天然具有適應定點着陸的平臺性能,比如其配置的7500N變推力發動機,可以在16%至110%推力區間實現大範圍推力的連續變化。

7500N變推力發動機

雖然月船三號登月精度的世界紀錄最多也就只能保持兩三年時間,甚至兩三年也保持不了,因爲在這兩三年期間還會有更多他國着陸器也將應用基於地形相對導航的定點着陸技術。

但是,我們也不能否認印度航天的努力,他們在非常有限的預算框架內,抓住了主要矛盾,這個主要矛盾就是登月工程能力的掌握,並將大部分資源都放在瞭解決主要矛盾上。

比如月球車、着陸器的一些載荷他們是能省就省,甚至着陸器連臺全景相機都沒有配置。

月船三號維克拉姆着陸器

印度航天即將發射的日地拉格朗日L1點太陽觀測衛星

如果沒有我們,同樣白手起家的印度航天在世界範圍內也的確算得上是出類拔萃,探月、探火、載人航天他們也都在做,甚至他們今年還要往日地拉格朗日L1點發射一個太陽觀測衛星,而我們的“羲和二號”日地拉格朗日L5點太陽觀測衛星還處於預研階段,對於他們的努力與成績我們即便不讚美,也儘量要以“實事求是”的方法觀去評判。