SLIM：标新立异的小型月球着陆器

文/石晓龙

北京时间9 月7 日8 点42 分，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）在种子岛航天发射场，用H-2A 火箭将该机构研制的XRISM 望远镜（全称为“X 射线光谱成像任务），以及日本的又一个月球着陆器——SLIM 着陆器（全称为“探月智能着陆器”）发射升空。

JAXA 原计划使用埃普西隆固体火箭来单独发射SLIM，但是由于XRISM望远镜的研发遇到困难，经费紧张，因此在2017 年JAXA 决定让SLIM 着陆器与XRISM 望远镜共同搭乘H-2A火箭，以节省经费来补贴XRISM 望远镜和其他卫星的研发费用。

此次任务由JAXA 主导，经费预计为180 亿日元，目的是让日本成为继苏联、美国、中国、印度后，第五个成功执行月球软着陆任务的国家。该着陆器的计划最早在2005年提出，名为“小型月球着陆实验卫星”，但是之后该提案并没有得到推进，直到2016 年之后才在JAXA 内部获得立项，并由三菱电机公司负责抓总。该公司也负责SLIM 着陆器上大部分科学仪器的研发和制造。

▲ 日本探月智能着陆器飞向月球渲染图

SLIM 着陆器原计划于2021 年发射，但是由于各种延误，一直推迟直到今年，而在发射前又由于台风影响推迟了10 天左右。

▲ SLIM 着陆器1∶2 例模型

“月球狙击手”

根据JAXA 对外放出的任务描述，SLIM 着陆器的使命是：展示未来利用小型航天器进行月球和行星探索所需的高精度着陆技术。通过展示这项技术，对引力天体的探索将发生重大转变，从传统的“在容易着陆的地方着陆”转变为“在你想着陆的地方着陆”。根据JAXA 给出的数据，SLIM 着陆器的着陆精度能达到100 米以内，也因此获得了“月球狙击手”的外号。

“利用像SLIM 这样的小型航天器进行着陆演示在世界上是独一无二的，随着SLIM 项目的实现，在航天器重量和携带资源限制比月球更为严格的行星上着陆将成为现实。此外，如果将来从月球进行样本返回，则有可能通过从月球发射SLIM 级大小的返回飞行器，将与‘隼鸟’等探测器相同大小的太空舱送回地球。”从JAXA 对着陆器的描述中可以看出，该着陆器是一型试验性质较强的着陆器，其主要目的并非携带大量科学仪器对着陆区域进行科学探查，而是对其高精度着陆能力进行研制，并试图在成功后将其推广到其他着陆器上。如果其运用的高精度着陆技术成功得到验证，那么以后使用这种技术的着陆器对落区范围的选定将会大大拓宽，并且更容易在一些以往难以着陆的地方着陆。JAXA 认为，SLIM 着陆器若成功，将会带来一种可在其他比月球环境更为恶劣的行星上进行作业的小型平台。

SLIM 着陆器也需要对其着陆范围进行探查，其预定着陆地点为月球南半球酒海区域的一个撞击坑。此处环境较为复杂，大概率会降落在一个有倾角的斜坡上，因此对着陆器的避障能力和着陆精准度提出了更高要求。SLIM 着陆器将携带多波段相机和光谱相机来检查表面成分，助力对月球起源等课题展开研究。由于其内部并不携带核热装置来保持内部温度，因此其任务周期很短，持续时间预计只有其着陆后剩下的月昼时间。

▲ 日本H-2A 火箭将XRISM 望远镜和SLIM 月球着陆器成功发射

▲ SLIM 着陆器落月渲染图

着陆器的结构

SLIM 着陆器是一个非常小的着陆器。从其正面看，长2.4 米，宽2.7米，高1.7 米，着陆器干重200 千克，发射质量在700 千克左右。

▲ 500 牛发动机

▲ 20 牛发动机

着陆器的推进系统由14 个发动机组成。主发动机为2 个500 牛的变推力发动机，用于着陆器在飞行过程中的加速、刹车与姿态控制；12 个20 牛发动机用来辅助主发动机调整着陆器的姿态，调整着陆器的俯仰与滚转姿态。

推进系统内部的单个大燃料罐值得一提。它被设计为整个着陆器的主要结构，内部由聚四氟乙烯制成的薄膜将氧化剂与还原剂分隔开，使用复合材料来打造中部外壳。在整个着陆器的结构中，燃料罐不但被用于储存发动机使用的自燃常温燃料，还被当作着陆器的主要结构，实现了“一举两得”的效果。

▲ 被作为核心结构的储罐

▲ 夏普公司提供的太阳能电池

着陆器的电力系统较为简单。电力完全来自于其覆盖在着陆器正上方的太阳能电池。太阳能电池的基质为轻质透明薄膜。着陆器上的所有太阳能电池都由夏普公司提供，这些轻型太阳能电池效率据称能达到32.65%的转化效率，能在日照时为着陆器提供充足的电能。着陆器同时还使用了新型锂离子电池。着陆器的电力分配由安装在内部的综合电力控制单元控制，可控制锂离子电池的充电和放电、太阳能发电的调节等。

着陆器的导航控制与通信部分由以下几个部分组成：

综合控制计算机。它控制着陆器内的所有电子设备，也用于在着陆时分析数据处理，向着陆器各个部分发出正确信号以完成着陆。

着陆雷达。它会在着陆前开始工作，将在着陆器着陆前向月球表面发射微波并通过反射回微波的往返时间来为计算机提供着陆器高度数据。

激光距离测量器。这是一种光敏感器，用于在着陆前测量高度。它用于接收从月球表面反射的调制激光，并根据其相位计算距离。它的特点是紧凑和轻便。

导航相机。用于在着陆阶段对月球表面进行成像。它可以同时输出用于基于视觉的导航的未压缩图像和用于下行链路将信号返回地球的压缩图像。两个摄像头安装在不同的方向，分别在动力下降和垂直下降阶段使用。通信部分着陆器使用一个S 波段信号收发器来作为与地面沟通的手段。

着陆器的着陆机构是SLIM 着陆器的一个亮点。SLIM 着陆器将使用一个颇为新颖的方式来进行着陆。它将在离月表15 千米左右时开始进行降落操作。在此过程中，导航相机和雷达将会对高度和地形进行持续监测，尽量维持高度，此时着陆器的姿态为横躺；在接近预定落区时，着陆器将会逐渐将姿态转为竖直，通过发动机的刹车制动减少着陆器在竖直和水平方向上的速度，直到水平速度为0，然后控制着陆器缓慢下降。在离地面高度为7 千米时，着陆器会继续垂直下降，直到离地面只有数十米左右时，着陆器腹部对向月表，然后通过点燃两个20 牛发动机将着陆器头部拉高，让着陆器主腿（有三个接地点的一侧）先接地，然后在引力作用下让前腿再着地，完成着陆。

采用这一套着陆器系统的好处是，可以省去大量原本着陆器应该携带的缓冲机构。为了实现这一套操作，设计团队在着陆器上使用了一套在过去着陆器上从未见过的“材料缓冲机构”。着陆器上总共有5 个与月表接触的受力点，在这5 个受力点上，设计团队各放上了一个由铝合金编织成的球状结构，内部呈晶体结构，在受到外部冲击后这5 个结构会在外部压力作用下向内部收缩，吸收撞击带来的冲击。由于着陆器本身重量不大，着陆腿本身不带有缓冲结构，整个着陆结构的重量相比于传统结构大为简化，既减少了成本又减少了重量。

双子可移动装置

设计团队在SLIM 着陆器这个迷你的体型上安装了两种十分特别的超小型月球车。不过根据它们的移动方式和功能，叫它们移动装置更为妥当。

▲ SLIM 着陆器着陆过程示意图

▲ SLIM 着陆器着陆过程具体分解图

▲ 安装于着陆器底部的铝金属结构

一个是月球移动装置1 号，重量约2.1 千克，尺寸为26 厘米x40 厘米x30 厘米。这是一个具有弹跳能力的小东西，其重心集中于头部，可以通过电动弹跳装置的支撑与地面之间构成一个三角形。通过设计，它在弹跳后，一定能保持头朝上的状态。它上面装有温度计以测量月表温度；装有辐射检测仪以监测月表辐射水平；还有倾角仪用来测量其所在月表的倾斜状态；加速度计用于测量其弹起时受到的重力加速度；摄像头可用于探查周围情况。其上搭载的设备可以与地球直接通讯，在顶部有太阳能电池来提供电力，预计可在月表活动40分钟以上。

另一个是月球移动装置2 号，重量约200 克，尺寸为接近80 毫米的球形。整个装置的尺寸大小和棒球差不多。它通过爬行来移动其位置，但是与其他采用轮子的月球车不同，它通过改变自身的形状并旋转分为两边的半球来在月表移动，只搭载了两个摄像头来检测前后环境，预计能在月表活动2 小时左右。该移动装置结合了一些儿童玩具的变形设计。日本玩具开发商TOMY 参与研发了该移动装置采用的小型化、轻量化技术和变形机构。

月球远征军中的一员

SLIM 着陆器与印度的“月船3 号”着陆器同样采用了低能量转移轨道，其转移过程将会耗时3～4 个月。在成功进入月球轨道后，按照计划，它将在月球轨道上再停留约1 个月的时间，再在之后1～2 个月中伺机着陆。着陆时间预计为2024 年1 月或2 月。

▲ 月球移动装置1 号

▲ 月球移动装置2 号

▲ 月球移动装置2 号展开渲染图

从所搭载的科学仪器数量上来看，很明显，该着陆器的主要目的是验证高精度着陆技术，科研探测并不是其主要任务。着陆器带来的科学价值并不大，不过其发射本身就是一件颇有意义的事——21 世纪的月球大探索时代真的要来了。

2023 年确实可以被称为月球探测大年，截至9 月份，已经有来自印度、俄罗斯和日本3 个国家的月球着陆器前往月球。其中，俄罗斯的月球25 号着陆器不幸地因故障在着陆前就坠毁于月球表面，但是印度的“月船3 号”则完美地成功着陆，在中国“嫦娥三号”成功着陆约10 年后成为第四个成功软着陆月球的国家。而在今年预计还会有两个来自美国的月球着陆器前往月球，一个是由“直觉机器”公司所研发的“新星-C”着陆器执行的IM-1 任务，另一个是由“天体机器人”公司研发的“游隼”着陆器执行的“任务一”任务。这样的月球探测器发射密度是过去从未有过的。

而接下来的2024 年将要发射的月球着陆器数量更为惊人。除我国将在2024 年执行“嫦娥六号”月球南极样本返回任务以外，来自美国和日本的月球探测任务可能达到十个甚至更多。这样的任务密度在上个世纪美苏太空竞赛的巅峰时期也是难以想象的。在太空竞赛结束约半个世纪后，月球再一次成为了焦点。