今年毫無疑問是探月大年，先是旨在登陸月球正面的美國航天機器人技術公司的游隼號探測器先聲奪人，遺憾的是遭遇了燃料泄漏無緣登月，再過幾天還有日本JAXA的SLIM探測器也將嘗試登月，今年美國還有4個無人探測器也都計劃登月，它們都是NASA商業(yè)月球有效載荷計劃的發(fā)射項目，而該計劃也從屬于旨在載人重返月球的阿爾忒彌斯計劃。

除上述任務外，中國的嫦娥六號探測器也已經(jīng)運抵海南文昌航天發(fā)射場，它將為人類首次獲取月球背面樣本，此次任務也是我國第二次月球采樣返回任務，計劃于今年上半年實施發(fā)射。

嫦娥六號探測器運抵海南文昌

回顧以往，還從沒有哪個年份有如此密集的登月任務安排。

進入21世紀以來，在月球探測領域，中國航天的嫦娥探月工程毫無疑問是排頭兵，嫦娥一號、嫦娥二號、嫦娥三號、嫦娥五號T1、鵲橋號、嫦娥四號、嫦娥五號，一系列任務接續(xù)實施，這些任務無一例外全部成功。

尤其是嫦娥三號、嫦娥四號、嫦娥五號，三次登月次次成功，成功率高達100%，我們登完月球正面，又征服了月球背面的復雜崎嶇地形的登陸任務，以嫦娥四號任務成功為標志，我們擁有了基于科學任務需求，在月球表面任意選擇著陸區(qū)的“全月面到達能力”。

嫦娥四號著陸器拍攝的玉兔二號月球車

全月面到達能力是通過嫦娥四號任務的實踐得以驗證，但卻是由嫦娥三號的工程技術開拓得以建立，后者首創(chuàng)基于機器視覺理念的登月技術方案，首次終結了人類無人探測器盲降月球的歷史。

嫦娥三號懸停段成像

在嫦娥三號之前，人類研制的各型登月探測器無一例外均不具備在登月航跡末段自主識別月面障礙并加以規(guī)避的能力，就連用于載人登月的阿波羅登月艙也不例外，阿波羅登月艙是通過宇航員的肉眼識別障礙，是“人在回路中”。

自嫦娥三號至嫦娥五號，我國航天始終占據(jù)著人類登月技術的制高點，嫦娥五號之后，印度航天的月船三號也收獲成功，這也是一款基于機器視覺理念的登月器，不過月船三號是基于月船二號登月失敗的經(jīng)驗教訓才得以成功，成功率就目前的實踐結果看只有50%，與我們的100%成功率相比，在可靠性與成熟度方面仍有差距。

嫦娥系列著陸器激光三維成像效果圖

相較于美國航天，在登月技術領域中國航天領先美國航天至少10年，這絲毫不是什么夸張，就拿剛剛失敗不久的美國游隼號著陸器為例，連地月轉移軌道都沒有進入，再拿它遭遇的燃料泄漏為例，我們當年的嫦娥四號探測器在發(fā)射不久同樣也遭遇了燃料泄漏。

游隼號著陸器監(jiān)視相機拍攝畫面

嫦娥四號與火箭分離后不久也曾遭遇燃料泄漏

不同的是，由于我們準備充分，處置得當，在最短的時間內避免了燃料的持續(xù)泄漏，拿出了軌道優(yōu)化方案，最終在燃料泄漏的情況下，仍然拿下了首登月球背面的歷史壯舉。 成功著陸月球背面馮·卡門撞擊坑的嫦娥四號著陸器與玉兔二號月球車運行至今已有五年，而游隼號卻只剩下再入地球大氣層銷毀這一條不歸路，二者所體現(xiàn)的工程技術能力不可同日而語。

接下來，人類探月的重點將放在月球南極區(qū)域，因為月球極區(qū)與地球極區(qū)一樣，也存在連續(xù)光照現(xiàn)象，加之地形因素，月球極區(qū)的某些高地區(qū)域的連續(xù)光照條件更為充分，有了連續(xù)光照，就意味著基于太陽能發(fā)電的探測器可以有更為穩(wěn)定的能源供給，從而大幅延長探測時間，提高探測效率。

月球極區(qū)的連續(xù)光照區(qū)與永久陰影區(qū)相伴相生

同時，又因為地形遮擋，有連續(xù)光照的區(qū)域附近通常也存在常年無光照的永久陰影區(qū)，在永久陰影區(qū)內則可能存在水冰資源，這一點已經(jīng)被諸多遙感探測數(shù)據(jù)所間接證實。

水冰資源對于深空探測，乃至未來的月球深度開發(fā)而言，都是極為難得的資源，有了水冰不僅能解決航天員長駐月球的人員用水需求，還可以用于制備氫氧火箭發(fā)動機所需的燃料，因此稱其為“戰(zhàn)略資源”也絲毫不是什么夸張。

既有連續(xù)光照的能源供給優(yōu)勢，又有水冰資源，這就是為什么月球極區(qū)探測如此被看重的原因。

月球極區(qū)的水冰分布（左圖南極，右圖北極）

通過月球遙感探測數(shù)據(jù)可知，月球南極水冰資源更為集中，易于探測開發(fā)，而月球北極的水冰資源則相對更為分散，因此月球南極就成了重中之重。

我國繼嫦娥六號之后的嫦娥七號探測器就將是聚焦月球南極探測的又一款旗艦級探測器，計劃于2026年前后發(fā)射，基于嫦娥六號的官宣慣例，去掉“前后”一詞的時間基本就是實際瞄準的發(fā)射時間。

雖然嫦娥七號要到后年才能發(fā)射，但它的先頭兵再過幾個月就要踏上征程，這就是鵲橋二號中繼衛(wèi)星。

原計劃嫦娥七號探測器是一款由五個探測器組成的多器聯(lián)合的大規(guī)模探測器，分別是軌道器、著陸器、巡視器、飛躍探測器、中繼衛(wèi)星，探測器發(fā)射總質量達到了8噸級。

嫦娥七號的早期設計方案

由于旨在實施第二次月球采樣返回任務的嫦娥六號同樣是旗艦級探月項目，它要執(zhí)行的是月球背面采樣返回任務，需要中繼衛(wèi)星支持，雖然目前我們還有運行于地月拉格朗日L2點擬周期軌道的“鵲橋號中繼衛(wèi)星”可用，但這顆衛(wèi)星已經(jīng)處于超期服役狀態(tài)，我們不能將嫦娥六號如此重要的旗艦級任務的成敗寄希望于一顆隨時可能壽終正寢的鵲橋號中繼衛(wèi)星身上，因此嫦娥六號需要新的中繼衛(wèi)星。

鵲橋中繼星視角里的地月系，該中繼星已經(jīng)超期服役。

嫦娥六號又是嫦娥五號的備份探測器，早在嫦娥五號任務時期，嫦娥六號的大部分組件都已經(jīng)生產(chǎn)完畢，嫦娥五號原本就已經(jīng)推遲多年，發(fā)射時間本就較晚的嫦娥六號也著實不能等待太長時間，而嫦娥七號距離發(fā)射之期還有段時間要等，這就有了讓嫦娥七號的中繼衛(wèi)星分離出來單獨發(fā)射的需求。

原本中繼衛(wèi)星隨嫦娥七號一道發(fā)射就不是最佳選擇，因為中繼衛(wèi)星運行軌道與嫦娥七號探測器本體運行軌道不同，雙方在軌道上要相互遷就，為了將中繼衛(wèi)星送達工作軌道，嫦娥七號的軌道器就要消耗更多燃料，這就會削弱軌道器的工作壽命。另外，中繼星還占據(jù)著嫦娥七號著陸器上方的空間資源。

中繼星隨嫦娥七號一道發(fā)射的早期設計方案

如果中繼星分離出來單獨發(fā)射，軌道器既不用額外消耗燃料，也解放了著陸器上方的空間資源，如此一來，飛躍探測器就可以做得更大，能力更強。

還有一點，分離出來單獨發(fā)射的中繼星還可以接替已經(jīng)超期服役的鵲橋號中繼衛(wèi)星，持續(xù)為嫦娥四號服務。

基于上述種種原因，嫦娥七號的中繼星就成了獨立發(fā)射的鵲橋二號中繼衛(wèi)星。

鵲橋二號中繼衛(wèi)星可同時為10個月球探測器提供中繼通信服務

話說，當初為什么要讓中繼星隨嫦娥七號一道發(fā)射，最現(xiàn)實的原因就是為了省錢，畢竟單獨發(fā)射要額外消耗一枚火箭。

去掉中繼衛(wèi)星后，嫦娥七號就成了由4個探測器組成的多器聯(lián)合的探測器，發(fā)射質量仍將是8噸級，多余出來的重量資源可以造更大的飛躍探測器，軌道器也可以裝載更多的燃料，從而擁有更強的月球軌道機動能力。

嫦娥七號新舊方案對比

嫦娥七號的首選著陸點位于月球南極沙克爾頓撞擊坑附近，坐標是88.8°S，123.4°E，這里是真正的月球南極區(qū)域。

圖中“Shcakelton5”標注點就是嫦娥七號首選著陸點

印度也曾宣稱他們的月船三號登陸的是月球南極區(qū)域，但我們來看看它的著陸坐標，是69.367°S, 32.348°E，根據(jù)白道面與黃道面夾角計算，月球極區(qū)緯度是南北緯86°以上區(qū)域，而月船三號連70°S都沒有突破，其著陸點距離月球南極圈還有著幾百公里的距離，就這還還敢妄稱登陸月球南極？

再看嫦娥七號的首選著陸點，那是實實在在的落在了月球南極極圈以內。

登陸月球南極需要解決兩大難題，一個是測控通信難，月球極區(qū)大部分時間對地球不可見，需要中繼衛(wèi)星支持，這個問題將由運行于月球大橢圓傾斜凍結軌道的鵲橋二號解決，該中繼衛(wèi)星可提供每天8小時連續(xù)中繼通信支持。最難的還是要征服月球極區(qū)的復雜地形。

嫦娥二號拍攝的月球南極區(qū)域，圖中有標注嫦娥七號首選著陸點。

月球南極不僅撞擊坑多，而且許多撞擊坑還是永久陰影區(qū)，相較于其它月面大幅縮減了可供選擇的著陸區(qū)，同時，月面坡度很大，平均坡度可達9.9°，這已經(jīng)高于嫦娥系列著陸器坡度不大于8°的要求。另外，月球極區(qū)光照角度極低，一般不高于1.54°，有光照與無光照連續(xù)交替，光影變化很快，這就要求著陸器在克服復雜崎嶇地形的同時，要準時準點地降落，否則，如果在無光照環(huán)境下著陸，探測器的能源供給將面臨嚴峻挑戰(zhàn)。

雖然著陸區(qū)坡度較大，但其實并沒有超過嫦娥系列著陸器可適應的極限坡度，比如嫦娥五號，雖然著陸坡度盡量選擇不大于8°，但據(jù)公開報道可知，嫦娥五號上升器已經(jīng)考慮到了25°的極限坡度。

最為考驗的還是定時定點的高精度著陸，根據(jù)任務要求，嫦娥七號將具備百米級的高精度著陸能力。

以往嫦娥系列著陸器雖然有著100%的高成功率，但并不是真正意義上的指哪落哪的高精度著陸，它是劃定一個較為寬大的著陸區(qū)，解決的是安全著陸的問題，通常是著陸器進入環(huán)月軌道后再具體選擇符合軌道約束條件的著陸區(qū)。

比如嫦娥三號著陸點偏差約600米，嫦娥四號著陸點偏差也是公里級，嫦娥五號的著陸點偏差是2.33公里。

嫦娥七號則可以在從地球出發(fā)之前就指定極小范圍的著陸區(qū)，就是因為它具備了高精度著陸能力，基于百米級高精度著陸能力計算，嫦娥七號的著陸精度相較于嫦娥五號暴增了約23倍。

由著陸器、月球車、飛躍探測器組成的“嫦娥七號著陸器組合體”

之所以能夠有如此高的著陸精度，是因為嫦娥七號著陸器在著陸環(huán)節(jié)增配了“圖像匹配功能”，這是一種基于地形相對導航的控制方案，通過機載存儲的陸標圖像與著陸過程實時拍攝的圖像進行比對，進而精確控制減速發(fā)動機工作，使著陸器沿著正確的軌道飛向著陸區(qū)。.

這個方法其實半個世紀前的阿波羅登月計劃也曾用過，所不同的是，阿波羅登月艙的陸標識別是宇航員人工識別，這才使得阿波羅登月艙具備了高精度著陸能力，比如阿波羅12號就曾降落在距離勘測者三號著陸器僅163米的位置。

當然了嫦娥七號的高精度著陸任務難度更高，其登陸的是光影變化極快的月球南極，機載存儲的陸標圖像需要用到與著陸時刻相同光照條件的圖像，而目前人類獲得的各類月球極區(qū)圖像均無法滿足嫦娥七號的著陸需求，因此嫦娥七號在進入繞月軌道后，需要使用軌道器搭載的高分辨率相機對月球南極進行高分成像，完成數(shù)據(jù)裝訂后再進行登月。

嫦娥七號配置的高分辨率立體相機

未來，隨著由我國主導的國際月面科研站的建設任務鋪開，我們還將具備基于無線電信標導航的高精度著陸能力，屆時就不需要如此繁瑣的著陸環(huán)節(jié)。當然了，嫦娥七號突破的基于圖像匹配的地形相對導航技術也是在月面其它陌生區(qū)域實現(xiàn)高精度著陸的剛需技術。

近年來，有不少探測器都揚言要登陸月球南極區(qū)域，但真正有實力付諸實踐的越是少之又少，比如美國今年接下來計劃發(fā)射的4個探測器，只有一個毒蛇號月球車計劃登陸的地點在月球南極極圈以內，該月球車也是最有可能先于嫦娥七號拿下首登月球南極區(qū)域紀錄的探測器。

毒蛇號月球車

毒蛇號月球車是NASA的旗艦級無人探測項目，但這個探測器也是一拖再拖，其原計劃2023年發(fā)射，目前已經(jīng)推遲了一年，即便如此，該項目仍然面臨嚴峻挑戰(zhàn)，項目經(jīng)理丹·安德魯斯表示，由于大流行時期的停滯，以及技術和設計問題，供應鏈面臨挑戰(zhàn)，比如連接器問題，還有設計缺陷，甚至還有異物碎片問題，這些問題阻礙了探測器的可靠性提升。

由此看來，毒蛇號月球車仍將面臨再次推遲發(fā)射的風險。

飛躍探測器月面上空飛行效果圖

高精度著陸只是嫦娥七號的眾多技術亮點之一，關于它的精彩故事還有很多，比如設計壽命長達8年擁有十八般武藝的軌道器，能在月面反復起飛、爬行探測、鉆取探測的飛躍探測器、著陸器攜帶的基于彈丸轟擊的侵徹式勘察器、新一代月球車……限于篇幅這次就講到這里，來日方長有機會再講。