自2023年下半年起，地球“訪客”密集前往月球，印度、俄羅斯、日本、美國接連發射月球探測器，但順利著陸者寥寥，直到今年2月23日，奧德修斯月球著陸器才讓美國時隔50年再次登月。2月24日，中國載人月球探測任務新飛行器名稱正式公布，月面著陸器被命名為“攬月”，載人登月進入倒計時。
今天，我們請國家航天局探月與航天工程中心研究員王瓊、探月與航天工程中心工程師竇豪來說說月球著陸的科技難點，以及目前開展的月球探索能為未來的宇宙探索貢獻哪些科學啟示。
（1）探測器抵達月球要過四關
火箭之父、蘇聯科學家齊奧爾科夫斯基曾經說過：“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠被束縛在搖籃里。”人類邁出地球搖籃，走向宇宙的第一站就是月球——月球是地球唯一的天然衛星，也是距離地球最近的自然天體。從地球到月球的距離，雖然在宇宙空間尺度中來看連一步之遙都談不上，卻是人類付出極大努力才有可能跨越的萬仞之山，在此過程中還需克服諸多科學技術難題。
第一個難關是進入軌道。這需要擁有強有力的運載火箭將月球探測器送入合適的軌道，如果火箭能力不夠強，入軌遠地點高度無法達到約38萬公里地月距離，那么就需要探測器自己變軌，逐漸抬高遠地點來逼近月球，如此一來燃料和時間都會消耗得更多。而如果火箭能力較強，將探測器直接送到地月轉移軌道，那么探測器就省勁多了。
第二個難關是奔向月球。要想探索月球，首先要能順利到達月球，地月之間的天路是必須經過的一關。美國前9次月球探測任務中，只有第5次飛掠任務取得了部分成功，其余8次環繞和飛掠任務都失敗了。蘇聯的起步方式有所不同，試圖先撞擊月球，但直到第6次才成功撞月。在奔月途中，探測器的初始入軌誤差會不斷累積，使得實際飛行軌道逐漸偏離設計軌道，因此需要每隔一段時間進行一次軌道機動，就像開車的時候稍稍打一點方向盤來調整方向一樣，消除軌道偏差才能確保探測器始終飛行在正確的軌道上。
第三個難關是環繞月球。探測器到達近月點后，需要“剎車”，也就是近月制動，把探測器速度從約2.5km/s降到1.7km/s，降速達到0.8km/s以上。“剎車”的力度需拿捏得剛剛好，剎猛了探測器會一頭撞向月球，剎不夠又無法被月球捕獲，會離月球越來越遠。
第四個難關就是近來備受關注的月面降落。月球上沒有空氣，不能用降落傘，探測器只能采用發動機反噴減速的方式下降。隨著發動機的反噴工作，燃料不斷消耗，探測器越來越輕，反噴推力也相應減小。反推力與重力的動態適應匹配是軟著陸的關鍵，反推力大了落不下去，反推力小了則降得太快；反推力變化慢了減速不及時，反推力變化快了又會給探測器姿態帶來突然干擾，可謂稍有不慎就會粉身碎骨。同時，還需要解決降落避障問題，避免落在石頭上或坑里影響著陸安全。
除此之外，著陸月球表面的探測器必須針對大溫差、低重力、月塵、宇宙輻射等特殊環境進行專門的防護設計，才能正常工作。
2019年嫦娥四號著陸器地形地貌相機拍攝的玉兔二號月球車在A點影像圖。（中國國家航天局）
（2）為何抵月“臨門一腳”易落空
探索月球的第一個熱潮出現在上世紀六七十年代，美蘇兩國進行太空競賽，完成了數十次月球軟著陸探測。隨著2014年初我國嫦娥三號探測器成功著陸月球雨海北部，月球軟著陸探測的第二輪熱潮拉開序幕，特別是去年下半年以來，印度、俄羅斯、日本、美國的多個探測器紛紛嘗試著陸月球，引起了全世界對于月球探索的高度關注。
2023年7月14日，經歷兩次推遲后，印度月船三號探測器（Chandrayaan-3）成功發射，后于8月23日成功著陸在月球表面。這標志著印度成為世界上第四個成功著陸月球的國家。
2023年8月11日，俄羅斯的月球-25號（Luna 25）探測器發射升空，計劃在月球南極著陸，后墜毀于月面。調查顯示，近月制動時的發動機點火應運行84秒，實際卻運行了127秒，加速度計未能在探測器達到預定速度時發出信號及時關閉推進系統，導致失敗。
2023年9月7日，日本的月球探測器SLIM發射升空。后在月面降落過程中，探測器的一臺發動機失去推力，導致它以發動機朝上的“倒栽蔥”姿態著陸。
2024年1月8日，美國航天機器人技術公司開發的游隼月球著陸器發射升空后，因推進系統故障、推進劑泄漏，最終重返地球大氣層燒毀。
2024年2月15日，美國直覺機器公司的奧德修斯月球著陸器成功發射，進入環月軌道后發現激光測距系統無法正常工作，于是調用激光測距實驗載荷用于著陸數據支持，2月22日探測器著陸月球表面時發生了側翻。
縱觀2010年以來的第二輪月球軟著陸探測熱潮，全世界一共實施了11次月球軟著陸任務，成功率卻僅僅略超50%。月球著陸器狀況頻出，或指令優先級處理邏輯存在問題，或發動機噴管燒穿掉落，或推進劑發生泄漏，或激光測距儀安全開關忘記在發射前解鎖等。目前只有我國的嫦娥三號、四號、五號和印度的月船三號任務取得了完全意義上的成功。由此可以看出，盡管半個世紀前人類就已實現載人登月，但時至今日，月球軟著陸仍然是高風險環節。
各國航天器抵達月面所面臨的最大技術障礙就是反推發動機技術和著陸導航技術。
從反推發動機技術來看，只有中國和美國直覺機器公司研制出了推力可大范圍調節的變推力發動機，利用發動機推力的受控變化來平衡不斷變動的探測器重力。而其他探測器大多采用多臺固定推力或可小范圍調節推力的發動機組合，通過脈沖控制或切換組合的方式來實現重力抵消，這種反推力的突變容易對探測器姿態造成干擾。
從著陸導航技術來看，新近研制的印度月船三號與日本SLIM著陸器都應用了基于圖像匹配技術的地形相對導航技術，實現了較高精度著陸。其中，印度月船三號的著陸位置偏差約360米，日本SLIM的著陸位置偏差約55米，為目前世界上最高的著陸精度。我國之前的嫦娥系列探測器采用的是微波/激光測距測速和機器視覺避障技術，具有很高的可靠性，后續嫦娥七號和八號探測器根據任務需求將實現更高精度的著陸。
所以，要想成功實現月球軟著陸，不但要突破相應的關鍵技術，還要實現產品的高可靠性，兩者缺一不可，否則就會跌跌撞撞、出師不捷。
（3）著陸南極緣何最受關注
迄今為止，月球著陸探測任務的著陸區主要集中于三大區域：月球正面、月球背面、月球南極。
月球正面總是朝向地球，對地通信條件好，具備大面積的月海，地勢較為低洼平坦，工程實現難度相對較低，因此，世界各國的首次月球著陸任務通常都將著陸點選擇在月球正面中低維度區域。我國載人月球探測任務就計劃在2030年前登陸月球正面，實現中國人的登月夢想。
月球背面總是背對地球，能夠屏蔽地球上人類活動造成的無線電干擾、閃電和極光帶來的無線電發射，因此被認為是開展低頻射電天文學觀測的絕佳地點。利用月球背面獨特的無線電環境進行天文觀測，可填補100kHz-1MHz頻段的空白，有望獲得宇宙“黑暗時代”方面的新認知。主體位于月球背面的南極-艾特肯盆地，不僅是月球上最大最古老的盆地，也是太陽系中最大的盆地，直徑約2500公里，最深處達12公里，是第一批留下記錄的撞擊構造，其噴發出的月球深層物質是其他區域所不具備的，所以被認為是研究月球內部結構和演化進程的窗口。此外，月球背面還保存著最古老的月殼巖石，其斜長巖高地可能形成于月球巖漿洋的分異結晶，這是月球形成的兩大學說之一，對其探測有望獲取月球早期演化歷史的新認識。我國嫦娥四號探測器于2019年實現了人類首次月球背面軟著陸和巡視探測，嫦娥六號探測器也將于今年上半年完成月球背面采樣返回任務。
月球南極存在許多終年不見陽光的撞擊坑——永久陰影坑，其中可能含有儲量豐富的水冰。我國將于2026年前后實施的嫦娥七號任務的重要科學目標，就是通過現場探測證認月球南極區域水冰的存在。如果在月球南極直接發現大量水，將為人類在月球上的長期駐留、更深遠空間探測的燃料補給，以及月球其它資源的開發利用提供物質保障。此外，月球南極還存在一些具有長時間連續光照的特殊地點——永晝峰，這些地點光照時間年占比最大可達80%，探測器通過小范圍移動甚至可以實現連續不間斷工作，為長期開展科學探測提供非常有利的條件。
鑒于潛在的水冰資源和特殊環境，月球南極是實現長期科研和資源開發的理想場所。為此，美國啟動了規模宏大的阿爾忒彌斯計劃，聯合30多個國家擬在月球南極建立大本營，把宇航員送上月球并建立常態化駐留機制，為未來的火星載人登陸任務鋪路。中國則提出了國際月球科研站大科學工程計劃，聯合多國擬在月球南極構建國際月球科研站，通過長期無人自主、短期有人參與的形式，開展月球資源利用和月基建造等任務活動。
目前，我國正在實施的探月四期嫦娥七號任務，擬對月球南極永久陰影區內的月壤水冰和揮發分的賦存狀態實施采樣詳查；嫦娥八號任務是著陸于月球南極地區，構建月球科研站中樞，并首次開展月壤資源原位利用新技術驗證。通過嫦娥七號和八號任務的實施，構建月球科研站的基本型，將為后續國際月球科研站的規模化構建與高效益運營奠定基礎。
（4）月球駐留的時代已經來臨
月球是宇宙海洋中離開地球這個陸地后的第一個島嶼，地月距離只有38萬公里，是地球與火星距離的百分之一至千分之一。在人類當前掌握的科學技術下，利用火星仍然是遙遠的展望，月球才是當下觸手可及的現實，它不僅是理想的科研基地，也是資源開發利用的寶庫，更是去往更遠深空的跳板和前哨站。
因此，如今世界各國又開始重新審視月球，將其當作新的戰略空間開展探測任務。美國、中國與歐洲的一些航天大國紛紛提出了在月球上構建月球科研站或月球基地的建設規劃，這標志著人類月球探測活動已經從“認識月球”轉為“認識與利用并重”，進入了“探、登、駐”三大步中第三步“駐”的時代。
之前的人類探月任務，無論是我國的“繞、落、回”，還是美國的阿波羅計劃、俄羅斯的Luna系列，都屬于單次探測任務模式，即每次任務設定一個目標，配置相應的科學載荷，任務周期相對短暫、任務之間缺少協同。而建設月球科研站這樣中等規模、試驗型的月面設施，轉向相對集中建站、長期駐留、可持續探測的模式，任務之間的協同便會大大增強，模塊之間的物質、信息、能源交換急劇增多，如同把分散的點連接成網絡，必將為人類認識月球、利用月球提供更高效率、更有效益的方法。
按照科學家的設想，未來人類還將建設月球基地。月球基地可以長期自主運行，具有超強大腦的中樞機構指揮各式各樣的機器人完成多種探測、搬運、布設、建造任務；指揮官、工程師、科學家、探險者、醫生等多種職業的人類航天員也將來到月球基地進行短期駐留，指揮、控制機器人完成地質調查、科學研究、大型建造等復雜任務。這樣的月球基地，包含了實驗室、礦場、工廠、空港、旅館等各種實用型月面設施，所獲取的知識和物產都將服務于人類文明的延續和拓展。
通過全世界航天科技工作者的創新和實干，相信在不遠的將來這些夢想會逐一變成現實，會有更多的地球人成為見證歷史的月球訪客。
自2023年下半年起，地球“訪客”密集前往月球，印度、俄羅斯、日本、美國接連發射月球探測器，但順利著陸者寥寥，直到今年2月23日，奧德修斯月球著陸器才讓美國時隔50年再次登月。2月24日，中國載人月球探測任務新飛行器名稱正式公布，月面著陸器被命名為“攬月”，載人登月進入倒計時。
今天，我們請國家航天局探月與航天工程中心研究員王瓊、探月與航天工程中心工程師竇豪來說說月球著陸的科技難點，以及目前開展的月球探索能為未來的宇宙探索貢獻哪些科學啟示。
（1）探測器抵達月球要過四關
火箭之父、蘇聯科學家齊奧爾科夫斯基曾經說過：“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠被束縛在搖籃里。”人類邁出地球搖籃，走向宇宙的第一站就是月球——月球是地球唯一的天然衛星，也是距離地球最近的自然天體。從地球到月球的距離，雖然在宇宙空間尺度中來看連一步之遙都談不上，卻是人類付出極大努力才有可能跨越的萬仞之山，在此過程中還需克服諸多科學技術難題。
第一個難關是進入軌道。這需要擁有強有力的運載火箭將月球探測器送入合適的軌道，如果火箭能力不夠強，入軌遠地點高度無法達到約38萬公里地月距離，那么就需要探測器自己變軌，逐漸抬高遠地點來逼近月球，如此一來燃料和時間都會消耗得更多。而如果火箭能力較強，將探測器直接送到地月轉移軌道，那么探測器就省勁多了。
第二個難關是奔向月球。要想探索月球，首先要能順利到達月球，地月之間的天路是必須經過的一關。美國前9次月球探測任務中，只有第5次飛掠任務取得了部分成功，其余8次環繞和飛掠任務都失敗了。蘇聯的起步方式有所不同，試圖先撞擊月球，但直到第6次才成功撞月。在奔月途中，探測器的初始入軌誤差會不斷累積，使得實際飛行軌道逐漸偏離設計軌道，因此需要每隔一段時間進行一次軌道機動，就像開車的時候稍稍打一點方向盤來調整方向一樣，消除軌道偏差才能確保探測器始終飛行在正確的軌道上。
第三個難關是環繞月球。探測器到達近月點后，需要“剎車”，也就是近月制動，把探測器速度從約2.5km/s降到1.7km/s，降速達到0.8km/s以上。“剎車”的力度需拿捏得剛剛好，剎猛了探測器會一頭撞向月球，剎不夠又無法被月球捕獲，會離月球越來越遠。
第四個難關就是近來備受關注的月面降落。月球上沒有空氣，不能用降落傘，探測器只能采用發動機反噴減速的方式下降。隨著發動機的反噴工作，燃料不斷消耗，探測器越來越輕，反噴推力也相應減小。反推力與重力的動態適應匹配是軟著陸的關鍵，反推力大了落不下去，反推力小了則降得太快；反推力變化慢了減速不及時，反推力變化快了又會給探測器姿態帶來突然干擾，可謂稍有不慎就會粉身碎骨。同時，還需要解決降落避障問題，避免落在石頭上或坑里影響著陸安全。
除此之外，著陸月球表面的探測器必須針對大溫差、低重力、月塵、宇宙輻射等特殊環境進行專門的防護設計，才能正常工作。
2019年嫦娥四號著陸器地形地貌相機拍攝的玉兔二號月球車在A點影像圖。（中國國家航天局）
（2）為何抵月“臨門一腳”易落空
探索月球的第一個熱潮出現在上世紀六七十年代，美蘇兩國進行太空競賽，完成了數十次月球軟著陸探測。隨著2014年初我國嫦娥三號探測器成功著陸月球雨海北部，月球軟著陸探測的第二輪熱潮拉開序幕，特別是去年下半年以來，印度、俄羅斯、日本、美國的多個探測器紛紛嘗試著陸月球，引起了全世界對于月球探索的高度關注。
2023年7月14日，經歷兩次推遲后，印度月船三號探測器（Chandrayaan-3）成功發射，后于8月23日成功著陸在月球表面。這標志著印度成為世界上第四個成功著陸月球的國家。
2023年8月11日，俄羅斯的月球-25號（Luna 25）探測器發射升空，計劃在月球南極著陸，后墜毀于月面。調查顯示，近月制動時的發動機點火應運行84秒，實際卻運行了127秒，加速度計未能在探測器達到預定速度時發出信號及時關閉推進系統，導致失敗。
2023年9月7日，日本的月球探測器SLIM發射升空。后在月面降落過程中，探測器的一臺發動機失去推力，導致它以發動機朝上的“倒栽蔥”姿態著陸。
2024年1月8日，美國航天機器人技術公司開發的游隼月球著陸器發射升空后，因推進系統故障、推進劑泄漏，最終重返地球大氣層燒毀。
2024年2月15日，美國直覺機器公司的奧德修斯月球著陸器成功發射，進入環月軌道后發現激光測距系統無法正常工作，于是調用激光測距實驗載荷用于著陸數據支持，2月22日探測器著陸月球表面時發生了側翻。
縱觀2010年以來的第二輪月球軟著陸探測熱潮，全世界一共實施了11次月球軟著陸任務，成功率卻僅僅略超50%。月球著陸器狀況頻出，或指令優先級處理邏輯存在問題，或發動機噴管燒穿掉落，或推進劑發生泄漏，或激光測距儀安全開關忘記在發射前解鎖等。目前只有我國的嫦娥三號、四號、五號和印度的月船三號任務取得了完全意義上的成功。由此可以看出，盡管半個世紀前人類就已實現載人登月，但時至今日，月球軟著陸仍然是高風險環節。
各國航天器抵達月面所面臨的最大技術障礙就是反推發動機技術和著陸導航技術。
從反推發動機技術來看，只有中國和美國直覺機器公司研制出了推力可大范圍調節的變推力發動機，利用發動機推力的受控變化來平衡不斷變動的探測器重力。而其他探測器大多采用多臺固定推力或可小范圍調節推力的發動機組合，通過脈沖控制或切換組合的方式來實現重力抵消，這種反推力的突變容易對探測器姿態造成干擾。
從著陸導航技術來看，新近研制的印度月船三號與日本SLIM著陸器都應用了基于圖像匹配技術的地形相對導航技術，實現了較高精度著陸。其中，印度月船三號的著陸位置偏差約360米，日本SLIM的著陸位置偏差約55米，為目前世界上最高的著陸精度。我國之前的嫦娥系列探測器采用的是微波/激光測距測速和機器視覺避障技術，具有很高的可靠性，后續嫦娥七號和八號探測器根據任務需求將實現更高精度的著陸。
所以，要想成功實現月球軟著陸，不但要突破相應的關鍵技術，還要實現產品的高可靠性，兩者缺一不可，否則就會跌跌撞撞、出師不捷。
（3）著陸南極緣何最受關注
迄今為止，月球著陸探測任務的著陸區主要集中于三大區域：月球正面、月球背面、月球南極。
月球正面總是朝向地球，對地通信條件好，具備大面積的月海，地勢較為低洼平坦，工程實現難度相對較低，因此，世界各國的首次月球著陸任務通常都將著陸點選擇在月球正面中低維度區域。我國載人月球探測任務就計劃在2030年前登陸月球正面，實現中國人的登月夢想。
月球背面總是背對地球，能夠屏蔽地球上人類活動造成的無線電干擾、閃電和極光帶來的無線電發射，因此被認為是開展低頻射電天文學觀測的絕佳地點。利用月球背面獨特的無線電環境進行天文觀測，可填補100kHz-1MHz頻段的空白，有望獲得宇宙“黑暗時代”方面的新認知。主體位于月球背面的南極-艾特肯盆地，不僅是月球上最大最古老的盆地，也是太陽系中最大的盆地，直徑約2500公里，最深處達12公里，是第一批留下記錄的撞擊構造，其噴發出的月球深層物質是其他區域所不具備的，所以被認為是研究月球內部結構和演化進程的窗口。此外，月球背面還保存著最古老的月殼巖石，其斜長巖高地可能形成于月球巖漿洋的分異結晶，這是月球形成的兩大學說之一，對其探測有望獲取月球早期演化歷史的新認識。我國嫦娥四號探測器于2019年實現了人類首次月球背面軟著陸和巡視探測，嫦娥六號探測器也將于今年上半年完成月球背面采樣返回任務。
月球南極存在許多終年不見陽光的撞擊坑——永久陰影坑，其中可能含有儲量豐富的水冰。我國將于2026年前后實施的嫦娥七號任務的重要科學目標，就是通過現場探測證認月球南極區域水冰的存在。如果在月球南極直接發現大量水，將為人類在月球上的長期駐留、更深遠空間探測的燃料補給，以及月球其它資源的開發利用提供物質保障。此外，月球南極還存在一些具有長時間連續光照的特殊地點——永晝峰，這些地點光照時間年占比最大可達80%，探測器通過小范圍移動甚至可以實現連續不間斷工作，為長期開展科學探測提供非常有利的條件。
鑒于潛在的水冰資源和特殊環境，月球南極是實現長期科研和資源開發的理想場所。為此，美國啟動了規模宏大的阿爾忒彌斯計劃，聯合30多個國家擬在月球南極建立大本營，把宇航員送上月球并建立常態化駐留機制，為未來的火星載人登陸任務鋪路。中國則提出了國際月球科研站大科學工程計劃，聯合多國擬在月球南極構建國際月球科研站，通過長期無人自主、短期有人參與的形式，開展月球資源利用和月基建造等任務活動。
目前，我國正在實施的探月四期嫦娥七號任務，擬對月球南極永久陰影區內的月壤水冰和揮發分的賦存狀態實施采樣詳查；嫦娥八號任務是著陸于月球南極地區，構建月球科研站中樞，并首次開展月壤資源原位利用新技術驗證。通過嫦娥七號和八號任務的實施，構建月球科研站的基本型，將為后續國際月球科研站的規模化構建與高效益運營奠定基礎。
（4）月球駐留的時代已經來臨
月球是宇宙海洋中離開地球這個陸地后的第一個島嶼，地月距離只有38萬公里，是地球與火星距離的百分之一至千分之一。在人類當前掌握的科學技術下，利用火星仍然是遙遠的展望，月球才是當下觸手可及的現實，它不僅是理想的科研基地，也是資源開發利用的寶庫，更是去往更遠深空的跳板和前哨站。
因此，如今世界各國又開始重新審視月球，將其當作新的戰略空間開展探測任務。美國、中國與歐洲的一些航天大國紛紛提出了在月球上構建月球科研站或月球基地的建設規劃，這標志著人類月球探測活動已經從“認識月球”轉為“認識與利用并重”，進入了“探、登、駐”三大步中第三步“駐”的時代。
之前的人類探月任務，無論是我國的“繞、落、回”，還是美國的阿波羅計劃、俄羅斯的Luna系列，都屬于單次探測任務模式，即每次任務設定一個目標，配置相應的科學載荷，任務周期相對短暫、任務之間缺少協同。而建設月球科研站這樣中等規模、試驗型的月面設施，轉向相對集中建站、長期駐留、可持續探測的模式，任務之間的協同便會大大增強，模塊之間的物質、信息、能源交換急劇增多，如同把分散的點連接成網絡，必將為人類認識月球、利用月球提供更高效率、更有效益的方法。
按照科學家的設想，未來人類還將建設月球基地。月球基地可以長期自主運行，具有超強大腦的中樞機構指揮各式各樣的機器人完成多種探測、搬運、布設、建造任務；指揮官、工程師、科學家、探險者、醫生等多種職業的人類航天員也將來到月球基地進行短期駐留，指揮、控制機器人完成地質調查、科學研究、大型建造等復雜任務。這樣的月球基地，包含了實驗室、礦場、工廠、空港、旅館等各種實用型月面設施，所獲取的知識和物產都將服務于人類文明的延續和拓展。
通過全世界航天科技工作者的創新和實干，相信在不遠的將來這些夢想會逐一變成現實，會有更多的地球人成為見證歷史的月球訪客。
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