着陆外星球，“稳准狠”靠的是什么？

8月6日，我国揽月月面着陆器着陆起飞综合验证试验圆满成功，标志着我国载人月球探测工程研制工作取得了重要突破。放眼国内外无人任务和载人任务，航天器着陆外星球普遍面临哪些困难？有哪些技术方案可以提供帮助？未来，随着技术进步和探索任务要求提高，外星球着陆器可能应用哪些创新技术方案？

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立足外星球要小心

航天器想要平稳降落在外星球上，需要凭借高精度导航、精确智能控制、稳定高效的能源供应与深空通信技术，按计划进入外星球轨道，随后在恰当时机正式开始着陆行动。

所谓“恰当时机”，重点体现在航天器初步掌握了外星球表面情况后，选定有利于安全避障的着陆点。这也是航天器降落在陌生的外星球表面所面临的最大难点之一。

我国揽月月面着陆器完成重要试验

大部分外星球表面遍布沟壑、陨石撞击坑、不规则岩石等。航天器选择着陆点时，有必要在轨对外星球表面进行精细测绘，尽可能选择坡度较缓、突出障碍物较少的平坦地区。如果任务预定着陆区域地形崎岖，航天器有必要在轨做好更充分的准备。

受限于仪器测量性能和地面团队支持能力，传统航天器难以完全分辨清楚外星球表面障碍物。一旦航天器降落在障碍物上，很可能立足不稳而翻倒，损坏设备和自身结构，或者迫使太阳能电池板和天线无法合理调整指向，轻则工作效能降低，重则任务彻底失败。

比如，美国阿波罗11号任务的载人登月舱一度难以判断月面地形，幸亏航天员精准手动操作，确保安全着陆。再比如，今年美国雅典娜号月球着陆器因激光测距仪失效，着陆点坡度过陡，翻倒摔进月面陨石撞击坑，导致太阳能电池板指向不佳，无法充电，所有科学任务被迫放弃。

在航天器实施安全可控的下降过程中，如果目标外星球没有大气层，那么动力系统需要提供一定的速度增量。在航天器接近着陆之际，动力系统需要及时调整推力，支持航天器低空悬停、精准平移调整着陆点。因此，动力系统最好能够在较大范围内连续、平滑地调节推力，确保航天器完成一系列复杂动作。

如果目标外星球有大气层，航天器还要利用热防护系统、超声速降落伞系统、气囊与反推火箭系统等，克服气动加热、大气阻力等不利条件。而且，相比金星、土卫六泰坦等具备厚重大气层的外星球，航天器着陆火星这类具备稀薄大气层的外星球恐怕会面临更严峻的考验。

外星球距离地球遥远，而航天器动力下降时间短，地面团队无法及时指挥。因此，航天器着陆外星球对自主操作能力提出了更高的要求：航天器必须自行完成动力下降之前的准备工作，借助测速测距传感器、地形导航传感器等，快速更新自身相对于外星球表面的速度和距离，自行规划下降轨迹。

航天器下降过程中，难免会飞掠过一些复杂地貌，造成高度计等传感器数据剧烈变化。因此，航天器需要针对预选的下降轨迹进行初步勘测，并将信息纳入导航策略中。

作为反面案例，2023年日本白兔-R航天器飞过月面陨石撞击坑时，高度测量仪的数据剧烈变化，与软件预期数据发生冲突，于是软件判断高度测量仪“故障”，错误地不再参考高度测量仪，导致着陆失败。

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“胸有成竹”不慌忙

迄今，多国航天器已成功降落在月球、火星、金星、小行星和土卫六泰坦表面，多次开展了无人化月球采样返回和载人登月任务，正在规划水星、木卫二、木卫四、土卫二等外星球着陆任务。可以说，通过周密严谨的现代工程设计和项目管理，航天器着陆外星球的技术方案日益成熟。

近年来，在探月和探火任务中，各国航天器已成功应用了多种自动避障和地形导航技术。

美国火星车着陆过程中下降减速效果图

例如，美国2003年启动“火星探测漫游者”任务，将勇气号、机遇号漫游车送上火星表面。借助降落图像运动估计系统，火星车可以从少量图片中提取重要特征，计算出相对于火星表面的水平速度。

2021年，美国毅力号漫游车着陆火星，首次使用了新一代地形相对导航技术，有潜力将着陆火星精度控制在60米左右。事实上，得益于多种设备协同工作，毅力号漫游车着陆精度误差仅有5米。

当时，火星轨道器的高分辨率遥感相机对杰泽罗陨石坑地区30公里×30公里的范围进行6米分辨率成像，初步确定毅力号漫游车着陆点和附近的高风险地带。在漫游车下降穿越火星大气层的过程中，着陆视觉相机大量拍摄图像，计算出漫游车的位置，及时生成规避风险路径和预定着陆点。漫游车通过数字地图、惯性导航数据匹配着陆点，空中最大横向机动调整幅度达650米。通过巧妙设计，漫游车配套超声速降落伞展开的关键时机也不以速度为唯一标准，同样参考了预定着陆点距离等约束指标。

针对不同特征的目标外星球，航天器动力系统需要满足不同的指标。为了着陆在没有大气层的外星球上，航天器配备的双组元发动机推力调节范围较大，往往会达到10%～100%，确保航天器及时安全低空悬停、精准调整着陆点。而在具备大气层的外星球，航天器着陆减速精度要求更高，可以使用单组元推力器。例如，好奇号、毅力号火星漫游车的着陆发动机可精确调节推力至0.5%，确保着陆更精准安全。

此外，国外科研人员正在开发多种轻质耐烧蚀防热材料，支持航天器以30公里/秒的最大速度进入外星球大气层，满足更苛刻的热防护要求。

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创新开辟更多“坦途”

目前，多国正在规划论证更富有挑战性的外星球着陆任务，包括火星采样返回、较高频次载人登月和未来载人登火、无人着陆巨行星卫星等，对着陆外星球技术提出了更高的要求。

随着新一轮载人登月任务开启，加上社会资本涌入探月任务中，未来某些型号月球着陆器和载人登月舱将具备重复使用能力，为此需要应用一些创新设计。比如，通过配备更多强劲的变推力发动机，降低着陆器着陆腿的触地速度和承受冲击，选择更有利于重复使用的材料和结构。

美国雅典娜号商业月球着陆器摔倒在月面

越来越多样化的载荷迫使外星球着陆器体积、重量不断增加，有可能造成重心升高，随之而来的是对着陆区域选择更加严苛。这可能会恶化航天器的任务适应性，难以探索蕴藏丰富资源和科学价值的复杂地形区域。

对此，一个方法是在大型外星球着陆器设计上下功夫，甚至考虑“侧躺着陆”，降低重心，但这对航天器结构和材料创新、精确控制技术等要求很高。

另一个方法是提升航天器着陆外星球的精度和控制能力，采用更激进的着陆点选择策略，考虑传统上被排除的陨石坑边缘、陡峭山崖间隙等。

换句话说，外星球着陆器未来可以借助人工智能算法、自主避障和地形导航技术等，“对自己狠一点”，尝试降落在风险更高的区域，更接近可能蕴含水冰资源、特殊矿物、潜在生命痕迹的区域，有助于探测器收获更多高价值成果，可持续开展深空探索。

不过，外星球着陆器“单打独斗”不可能解决所有问题，有必要分阶段向更多外星球轨道上和不同星球之间的引力平衡点附近部署大量微小环绕探测器和中继卫星，长期积累外星球轨道、大气层及表面的勘测信息，初步选出一些潜在着陆点，支持后续论证。

随着未来任务目标提高，更大的投送质量和更远的征途将促使航天器动力系统性能“更上一层楼”。

比如，美国基于“星舰”第二级研制的载人登月舱、设计相对传统的蓝月亮登月舱均采用低温推进剂发动机，比冲性能明显高于现役月球着陆器主流使用的双组元常温推进剂发动机。

再比如，国外正在研究水星着陆器和木卫二着陆器方案，可能选用比冲稍低、结构质量更轻的固体发动机，支持大部分动力下降过程，再由灵活调节的液体发动机接替完成着陆，从而降低着陆器“死重”负担。

来源/《中国航天报·飞天科普周刊》

文/张晨

编辑/高辰 靳晴

审核/杨蕾

监制/黄希