出品 | 網(wǎng)易新聞
作者 | 李會超，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）博士后
如果把探測器著陸月球進(jìn)行科學(xué)探測看做一次攀登珠穆朗瑪峰的壯舉，那么從地球飛到環(huán)繞月球的軌道，大致相當(dāng)于從前進(jìn)營地到達(dá)了突擊營地，而從環(huán)月軌道上脫離，并逐漸減速，選取安全的位置在月球表面實施軟著陸，則相當(dāng)于最后沖擊頂峰的過程——雖然距離時間都不長，但難度風(fēng)險最大，也最考驗技術(shù)的有效性與可靠性。
2013年，嫦娥三號成功在月球表面軟著陸，使中國成為世界上第三個在月球表面上實現(xiàn)軟著陸的國家；2019年，嫦娥四號利用鵲橋一號中繼衛(wèi)星，實現(xiàn)人類首次在月球背面的軟著陸探測。在這兩次成功的任務(wù)中，嫦娥探測器在最后的月球表面著陸階段，依靠自身的探測設(shè)備、計算機與軟件算法，避開了月球表面可能對探測器著陸安全產(chǎn)生威脅的危險地形，在世界上率先實現(xiàn)了首次利用機器視覺的地外天體軟著陸自主避障。
而與之對比，今年4月，以色列的Beresheet探測器在著陸月球的過程中，因發(fā)動機罷工而墜毀；9月7日，印度月球探測器“月船2號”的著陸器“維克拉姆”號，在距離月球表面兩公里的地方與地面失聯(lián)……這些任務(wù)的失利，都說明在月球表面著陸仍然不是一件容易的事情。
那么，軟著陸地外天體，都有哪些危險？嫦娥三號、四號又是如何將它們避開的呢？
（一）能否對著陸點危險地貌進(jìn)行規(guī)避，決定著月球著陸的成敗
月球表面遍布各種高山深谷，而即便在相對平坦的地區(qū)，也有巖石和撞擊坑等危險地貌，如果探測器降落到這些危險地貌上，很容易讓探測器發(fā)生傾覆，也就是在月球上“翻車”。
在地球上，可以借助吊車等機械將翻倒的車輛扶正，而在月球上，探測器孤立無援，一旦傾覆則很難正常工作。
在美國阿波羅15號任務(wù)實施期間，宇航員們在著陸過程中遭遇了驚險的過程——由于前期意外發(fā)生的種種差錯，阿波羅15號的登月艙在即將著陸之時，錯誤地飛入了一個撞擊坑之中，登月艙支撐機構(gòu)四個機械腿中的一個首先與月面接觸。
在任務(wù)訓(xùn)練過程中，宇航員們被一再告知只要機械腿接觸月球表面，就必須馬上關(guān)閉主發(fā)動機，以防被發(fā)動機噴流揚起的月壤堵塞發(fā)動機噴口。然而，由于登月艙此時并非在一片平坦的月面上著陸，而是撞上了撞擊坑的斜坡，因此機械腿與月面接觸時，登月艙的速度并未降低到軟著陸的要求。
好在這次硬著陸沒有對登月艙造成損壞，而斜坡也沒有使登月艙傾覆——如果這兩件事的其中一件發(fā)生，阿波羅15號的宇航員可能就回不來了。
（阿波羅15號登月照片，可以看出其登陸點的地勢并不平坦）
在他們之前，在阿波羅11號首次載人登月時，阿波羅11號的月面降落過程也是驚險連連，阿姆斯特朗在一片飛控計算機過載的警報聲中操控登月艙著陸，登陸所需的燃料在登陸30秒前耗盡，好在他們同樣順利地到達(dá)了月球表面。
看到這里，可能很多人會有疑問，探測器都會搭載很多高精尖的儀器，難道不能獲取影像資料來提前判斷著陸點的地貌么？答案是，在此前的很長一段時間內(nèi)，即便是如美國LRO這樣搭載了高分辨率相機并長期在環(huán)月軌道上工作的探測器，也無法獲取足夠高分辨率的影像，來讓探測器提前獲知著陸點的精準(zhǔn)地形地貌信息。
因此，探測器在著陸過程中必須自主獲取信息，對危險的地貌進(jìn)行規(guī)避，才能安全地在月球表面著陸，這是事關(guān)探測器安全的重大問題，也是決定月球著陸成敗的關(guān)鍵技術(shù)點。
（二）粗避障+精細(xì)避障，讓探測器穩(wěn)穩(wěn)地降落月球表面
在美國阿波羅計劃進(jìn)行的過程中，宇航員依靠人力完成危險地貌識別，宇航員經(jīng)過訓(xùn)練后，能夠在登月艙著落過程中發(fā)現(xiàn)危險地貌并操縱飛船避開它們。
在更早之前，美國和蘇聯(lián)在月球表面的無人探測器，有的預(yù)先選擇一片大致平坦的區(qū)域作為著陸區(qū)，而探測器在著陸點是否會碰到未能識別的危險地形，則全靠運氣和緣分，失敗的概率較大；有的則以氣囊作為緩沖，抵消危險地形的可能沖擊，之后再將探測器釋放出來。
而當(dāng)阿波羅計劃結(jié)束后，月球的探測陷入低潮，再沒有關(guān)于著陸技術(shù)的新突破，美國在進(jìn)行火星探測的過程中，也大都依靠氣囊作為著陸緩沖。
如今，中國的嫦娥三號、四號飛船的自主避障技術(shù)，則將探測器在行星表面著陸的技術(shù)水平向前推進(jìn)了一大步。
（嫦娥奔月的總體過程）
在著陸月球前，飛船會先進(jìn)入環(huán)繞月球的軌道，等待合適的著陸時機；著陸過程開始后，飛船會先利用自身的發(fā)動機減速，脫離繞月軌道，逐步降低高度；在距離月球表面約2.4公里時，探測器開始避障的第一階段——粗避障。
如果我們將探測器在月球表面的著陸看作是一次停車入位的話，粗避障過程就相當(dāng)于在停車場中尋找車位的過程。探測器利用自身搭載的光學(xué)成像敏感器對潛在的著陸區(qū)域進(jìn)行成像，在拍攝的“照片”中識別出比較大的危險地形與障礙物，將它們從備選的著陸區(qū)域中剔除。
同時，由于飛向不同的區(qū)域，發(fā)動機的工作過程可能不同，對燃料的消耗就有可能不同，因此探測器在確定著陸區(qū)域時，還要保證安全的前提下盡量選取燃料消耗較少的著陸區(qū)域。
（嫦娥探測器最為關(guān)鍵的避障階段的飛行過程）
在進(jìn)行粗避障搜尋過程的同時，探測器本身處于減速下降的階段，因此，對粗避障過程一個苛刻的技術(shù)要求是，無論是對月球表面拍攝“照片”，還是利用探測器搭載的計算機與有關(guān)算法程序識別障礙、選取著陸區(qū)，都必須在較快的時間內(nèi)完成。在這一階段采用光學(xué)傳感器，就是看中了它能夠在運動過程中快速成像的特性。而相關(guān)的程序和算法，則經(jīng)過科研人員大量的優(yōu)化試驗，能夠滿足需求。
之后，按照粗避障過程所選取的著陸區(qū)，探測器控制發(fā)動機接近到月球表面的特定區(qū)域，并懸停在距離月球表面約100米的位置，此時，在與月球表面保持相對靜止的狀態(tài)下，三維激光敏感器開始對著陸區(qū)進(jìn)行掃描。
與光學(xué)相機只能得到一張二維的照片所不同的是，極光敏感器可以獲得著陸區(qū)域的三維信息，月球表面的高低起伏全都能夠定量地刻畫在探測器的“大腦”中。
之后，探測器的計算機開始在圖像中搜尋符合著陸條件的最優(yōu)區(qū)域，精準(zhǔn)確定著陸點。
再之后，探測器一邊下降，一邊向確定的著陸點移動。
在到達(dá)著陸點正上方、距離著陸位置為30米時，探測器將自己的水平速度調(diào)整到0，只在垂直的方向上向下緩緩移動，最終著陸到月球表面。
這個被稱為“精確避障”的過程，類似于我們找到車位之后，通過后視鏡觀察確定車身與車位間的相對位置，駕駛車輛進(jìn)入車位停妥的過程。
（三）NASA還在研制的技術(shù)，嫦娥已在實戰(zhàn)中驗證
那么，嫦娥三號和嫦娥四號是如何把障礙區(qū)域從二維和三維圖像中識別出來的呢？
巖石從月面上凸出，撞擊坑從月面上凹陷，在陽光的照耀下，這兩個區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)與平坦月面不一樣的圖像特征，巖石表面的亮度大于月面背景，且附近存在陰影區(qū)。亮區(qū)和陰影之間的明亮對比比較強烈，且亮區(qū)與暗區(qū)之間的交界線剛好與太陽光射來的方向垂直。
而對于撞擊坑來說，同樣存在比較明顯的明暗對比。撞擊坑被太陽照到的部分較亮，照不到的則較暗，而撞擊坑暗區(qū)的邊緣呈現(xiàn)圓弧狀，能夠與巖石區(qū)分開來。
根據(jù)這些特征，嫦娥探測器的計算機就能使用有關(guān)程序和算法，從光學(xué)成像傳感器中識別出圖像中的危險區(qū)域，將它們從待選的著陸區(qū)中剔除。
在精確避障過程中，激光敏感器傳回的是不同位置的高度信息，嫦娥探測器的計算機可以利用這些信息計算描述各個位置平坦程度的坡度，挑選一個高度適合又比較平坦的區(qū)域，選為最終的著陸點。
也許你會問，既然我們可以通過電視直播看到嫦娥探測器著陸月球表面時的場景，為什么不能通過地面上的人員操控嫦娥探測器著陸，而必須依靠嫦娥探測器上的自主避障功能呢？
這是因為，即便地面上的控制人員能夠瞬時對著陸過程做出精準(zhǔn)而正確的控制，他看到的也是1秒之前嫦娥探測器所處的環(huán)境。電磁波以光速從月球傳到地球，需要1秒的時間，而控制人員的指令傳回嫦娥探測器，又需要1秒，對于一般的活動，2秒僅僅是微不足道的一瞬間，而對于落月的嫦娥探測器，在僅僅700秒內(nèi)，她就要從環(huán)繞月球高速運行的狀態(tài)變化到穩(wěn)穩(wěn)地在月球表面著陸的狀態(tài)，其間它的位置和速度都經(jīng)歷著非常快的變化。2秒的理論延遲都顯得太長，何況實際上的延遲還會超過2秒，因此，必須為它開發(fā)自主避障的功能。
這種技術(shù)同樣得到了NASA的重視。今年9月，NASA的新聞稿中公布了SPLICE（ Safe and Precise Landing – Integrated Capabilities Evolution，安全與精確著陸——協(xié)同技術(shù)發(fā)展）項目的進(jìn)展，這個項目的目標(biāo)也是實現(xiàn)探測器在其他天體著陸過程中的自主避障，但目前仍處于研制測試階段，沒有像嫦娥一樣在實戰(zhàn)中進(jìn)行驗證。
也就是說，雖然我們來到月球比美餓兩國晚了不少時間，但我們著陸月球玩出了一種十分有價值的“新花樣”。
（落月后的嫦娥三號，可見附近地形平坦，沒有大的石塊與溝壑，探測器狀態(tài)良好，避障工作相當(dāng)成功）
雖然航天器是一個沒有生命的機械，然而她的身上傾注了太多人的心血和期望。據(jù)探月工程總設(shè)計師吳偉仁院士回憶，當(dāng)嫦娥4號探測器和玉兔2號月球車出廠時，按照工程師們給出的設(shè)計和圖紙，親手將航天器制造出來的工人師傅們，像送別出遠(yuǎn)門的孩子一樣撫摸著嫦娥4號和玉兔2號，囑咐她們“要聽話，一路走好，不要走偏了，不要摔下去了”。
像每一個長大后離家的孩子一樣，嫦娥探測器也需要憑借著她自己的力量來走好自己的路。
（嫦娥四號使人類第一次從月球表面看到了月球背面的景象）
在距離地球38萬公里的月球表面，在中國乃至全世界的航天器都未曾涉足的地方，在極寒極熱的交替和宇宙線的轟擊中，在那最驚險的700秒里，托舉她的不只是那臺最多能夠輸出7500N推力的變推力主發(fā)動機，還有無數(shù)為她苦思冥想與夙興夜寐的航天人們。
