不吹不黑,月球背面降落难,还是月球南极降落难?

当然是背面了,但是正所谓会者不难,难者不会,咱们探月是脚踏实地走出来的,每迈出一步都是坚定踏实的,美苏当初往月球发射了多少探测器才有今天的成就啊,咱们每发射一次都是巨大的进步,每个步骤最多两次,因为有备份星,不用就浪费了,即便如此,也得顺便验证下一阶段的技术,这点真的很佩服中国航天人啊,咱们得探测器着陆技术,放眼世界,现在也是顶级的了,凭借后发技术优势,我们实现了着陆器通过智能化自主着陆技术,也就是因为月地距离是2光秒,无线信号是大于2秒的延迟的,如果地面遥控,会有时间误差,增加着陆精度和难度,而自主着陆是通过着陆器自身所带的传感器,实时观察月面情况,根据数据反馈选择合适登陆点,再加上咱们得变推力发动机给力,还有那个用于月背的中继卫星的帮助,即便是月背着陆,我们都感觉是那么的可靠踏实,因为你所有的准备工作都充分了,成功几率肯定很高了,印度的失败不能说明印度不行了,只能证明中国科技人员,技术基础和组织能力目前来说更加优秀。

不吹不黑,月球背面降落难,还是月球南极降落难?

其实先给出答案,单纯从月面降落这个环节来说明的话,无论在月球哪个角落降落,难度都一样的,但整体工程实施难度上却天差地别,区别在哪里?测控需求!

月面降落有哪些难度?

很多朋友都以火星降落为月面降落参考,其实两者没有可比性,即使在重返大气层降落仍然非常困难,我们大致来解释下这个过程。

1、穿过大气层下降

穿过大气层下降因为有大气动力减速,因此不需要全程动力减速下降,但会遇到两个难题:

  • 高超音速气动激波加热
  • 大气层内减速伞技术

大家的理解一般都是大气与飞行器表面摩擦高温,其实完全不是这样,是超音速激波加热才是这个高温的真正关键,当然不管这高温来自哪里,我们都必须要解决这个问题。对于重返大气层的返回式飞行器来说有两个方式来解决:

  • 优秀的大气层内气动外形
  • 抗烧蚀外壳

前者会在大气层气动作用下维持一个方向下降,比如中国份额神舟系列飞船,还有美国的阿波罗飞船以及新的猎户座飞船,三种结构各有区别,但在大气层内会在气动作用下自稳定。

后者抗烧蚀外壳则更重要,因为稳定后前进方向的那一面会遭受数千度高温的侵袭,高强度,耐高温的大底是必须要跨过去的难关。

最后闯过烧蚀难关的还要降落伞减速,很多朋友会将这个过程忽略,其实高速开伞风险很高,特别是大气稀薄的条件下超音速开伞尤其高难度,在火星大气层内降落时,由于火星大气压只有地球1%,烧蚀问题不会很严重,但超音速开伞条件简直就丧心病狂。

2、无大气层全程动力下降

无大气层月面降落时没有气动加热与开伞问题,但全程动力减速下降,对发动机要求极高,而且每个阶段的发动机推力是不一样的,因此我们的嫦娥三号四号计划中有一个7500N变推力发动机突破的重大新闻,可见能精确控制推力的发动机在月面下降过程中的重要性。

3、总结下有大气层和无大气层的结构设计区别

前者必须有优秀的启动外形,而后者比如月面登录的着陆器,形状五花八门,只要有足够的动力,能维持平衡,是什么外形没有任何关系。

月面降落测控要求有多难?

能稳稳的降下去,离不开星载系统的自动控制,当然无论AI多只智能,也不如人在回路中干预,因此月面从开始下降到落月完成这个时间中,有很多需要地面测控中心参与的控制,当然现在这种控制越来越少了。

月面测控

成功通过下降阶段着陆以后,着陆器的通讯一般是直接和地面中心展开,当然特殊情况也可以通过轨道器来中继,但轨道器在月球轨道上是运动的,有远及近,由近及远,而且有些轨道还不适合与地面通讯,因此在正面登陆时除非特殊,否则不会由轨道器中转。

但月球背面通讯就完全不一样了,着陆器本身不能和地球直接通讯,轨道器通讯断断续续,那么只能认为制造一个中继通讯点,而嫦娥四号的中继通讯点就在月球和地球连线的延长线距离月面约6.5万千米的拉格朗日点上,这个位置的绕行可以同时看到地球和月球背面,因此这个点的通讯中继位置是绝佳的。

但这会额外增加一个中继卫星的成本,而且整个系统复杂程度会成倍增加,各个技术难点甚至会拖累整个工程的进度,因此当去年2018年5月份发射的鹊桥成功入轨时大家一片欢呼,因为这保证了未来的嫦娥四号着陆通信任务顺利展开。

火星测控

火星任务的通讯保障有几个方面,与月面相反,火星一直在自转中,因此登陆火星时或者登陆火星后都有可能断断续续,因为受到火星的遮挡,因此在洞察者登陆火星时有两颗小卫星在火星轨道上执行中继通讯任务。

伊娃”和“瓦力”提供了洞察号降落时的信号中转服务

另外还有一个不得不考虑的问题,就是火星与地球之间的通讯延迟,这可能比中继更令人煎熬,火星与地球之间的距离是动态的,最近是大约5500万千米,单程需要2分半钟多一点,来回需要5分钟,最远是4亿千米,通讯延迟单程十几分钟,因此火星任务的不确定性因素更多,因为这十几分钟内什么事情都可能发生,而我们没有任何处理方式,因为传送你处理的指令还在路上。

因此我们客观的分析下登陆月球南极与背面的难度,技术上其实没啥差别,但通讯保障上直接秒杀大部分玩家,这个技术相信美国是有的,欧空局可能也有,但他们都没有实施过,有技术不一定代表能成功实施,比如印度的月船二号着陆器登月失败,相信印度是有技术的,但能不能成功实施则是另一回事情,这不止是技术那么简单,整个登月工程的统筹控制与实施能力更重要,这才是一个团队成熟的表现。

背面难,月球是不会自转的,正面始终面对地球,地球上就能用望远镜等仪器观测到,在地球上大致就能定下着陆地点而且还能直接遥控登月。但月球背面就不同了,究竟是个什么状况就需要有绕月飞行器先进行尽可能的探测,但由于不够直观,软着陆时还需要设定着陆器能随机应变,并且遥控登月和登月成功后传回数据时信号会被月球本身阻隔,因此还得先发射一个鹊桥中继卫星。无论是难度还是耗费的金钱都跟正面登月不是同一个档次的。

在今年年初,我国的嫦娥四号探测器成功在月球背面实现软着陆,成为人类史上的首次。而在本月初,印度的月船2号试图成为第一个在月球南极进行软着陆的探测器,但它在着陆前失联,不受控制地掉到月球上。不管怎样,从技术角度来看,登陆月球背面和月球南极哪个更难呢?

无论是难度,还是任务的完成度,显然都是我国更胜一筹。虽然月球南极的登陆难度要比月球中部区域更加困难,但月船2号着陆器选择登陆的地点是在月球正面,而非更难登陆的月球背面。那么,为什么说月球背面会更加难以登陆呢?

这与月球的特殊运动方式有关。数十亿年来,地球引力持续对月球施加了潮汐力的作用,这导致月球的自转速度越来越慢,自转周期越来越长。最终,月球的自转周期变得与月球绕地球的公转周期完全一致,月球相对于地球被潮汐锁定。在这种情况下,月球背面会始终背对地球,而月球正面会始终面对地球。

由于潮汐锁定现象,如果探测器要登陆月球背面,它将无法与地球上的控制中心取得联系,因为无线电信号会被月球所阻挡。为了解决这个问题,我国在发射嫦娥四号之前,先发射了鹊桥号中继卫星,它飞到地月系统的第二拉格朗日点的晕轨道上。

地月系统的第二拉格朗日点位于地月连线的月球外侧上,与月球相距6.5万公里。这是地月系统的引力平衡点,在这里运行的卫星能够与地球和月球的相对位置保持长期稳定。鹊桥号在此运行,信号经由它传输不会被月球阻挡,这样就能实现月球背面和地球的通信。

而在月球正面登陆,即便是在靠近南极的区域,也无需中继卫星,地球上的控制中心可以直接对探测器进行遥控。仅从这方面来看,在月球背面软着陆要比在月球南极登陆困难很多。正因为如此,当年阿波罗登月飞船6次着陆月球,登陆点都是在月球正面。

另外,在测控方面,我国都是依靠自己的技术。而印度的测控则是得到了美国宇航局(NASA)的帮助,NASA的深空网络(DSN)为月船2号保驾护航。

最为关键的是,我国已经成功实现了月球背面的软着陆。在此之前,我国的嫦娥三号还成功登陆过月球正面。迄今为止,我国探测器登陆月球的成功率是100%。而在人类航天史上,只有38次成功实现了月球软着陆任务,成功率为52%。

给出结论的话:应该是月球背面更难!

我们要了解一下,月球与地球之前的潮汐锁定。这是指大天体的引力迫使离他近绕它公转的小天体永远用一面对着它。

虽然从大天体的角度看起来它是不转的,但是从宇宙空间的角度来看,这个小天体仍然是自转的,只不过自转的周期和它绕大天体公转的周期是一样的(都是27天7小时43分11.47秒)。

所以人类在地球上是永远无法观察到月球的背面的。大约60年前,前苏联的月球3号探测器传回了第一张月球背面的影像。大约50年前,美国阿波罗8号的3位宇航员在环月飞行时,成为最先亲眼看见月球背面的人类。

不过所有的阿波罗载人任务、甚至苏联和美国的其他无人着陆月球任务都集中在月球正面,对这里人类已经了解得非常多。

月球背面登陆最大的难度在于没有信号,以及月球背面陨石坑密布、地形和高程图异常复杂,对各种配合着陆传感器的系统要求很高。再有就是时机很重要。

月球被潮汐锁定,自转与公转相同,导致它的一天就是一年,一半是黑夜一半是白天。换做地球时间就是近14天交替的白天黑夜,因为能量源是太阳能,必须要等到白天才能进入。

嫦娥四号都是先布置一颗信号中继卫星,为着陆器做准备和全程信号支持。然后整整等待了四天才着陆,而登陆时进入了一个几乎要实现长距离垂直下降过程,期间完成避障、悬停、精避障、缓速降落全过程,难度极大。这么一个复杂的“走位”,对自主导航制导与控制要求极高

另外,月球背面登陆的科研价值也更高,因为除了嫦娥四号之外还没有其他航天器还没有登陆过,资料很少。

而南极就在正面,不要因为它是叫南极,就认为它更有难度。

所以总体来说,月球背面登陆难度更大、科研价值更高!

当然是着陆月背的难度大!

月球南极降落更难。

前面几个答案都强调了月背通信困难,因此月背着陆探测高度依赖地月第二拉格朗日点的中继卫星。

但事实上,在月球南极着陆也面临类似的问题,甚至面临的问题更难解决。

首先,来看看嫦娥四号任务的着陆过程,由于信号时延问题,整个着陆过程实际上是探测器自主完成的,鹊桥的信号中继并没有指挥着陆器的行动。嫦娥四号着陆器只要在预定区域找到一片合适的着陆场就可以自主着陆了,这个过程地球和鹊桥都帮不了多少忙。然而只要看过月面图就知道,月球南极地区密布着大大小小的环形山,根本不像月背和月球正面那样有较大的撞击坑或者月海,找一片合适着陆场的难度要大得多。(印度月船二号的预定着陆位置离南极还远着呢,也就他们好意思把那片当成南极附近勘探)

其次,在月球南极附近,即便在面向地球一侧,地球的月平高度也很低,基本靠着月平线了,结合南极附近的地形,地球很容易被高地和山脉遮挡,这方面南极的通信条件并不比月背好多少,甚至更糟。为什么说更糟呢?这要从地月第二拉格朗日点说起,鹊桥就部署在地月第二拉格朗日点附近的晕轨道上,由于月球被地球潮汐锁定,在月面上看地月拉格朗日点,基本上相对月表是静止不动的,卫星部署在晕轨道上基本就是在天上绕着一个点转圈圈,对于月背上中低纬度、靠近月背中央经线附近区域的探测器来说,任何时候很容易联系上几乎就在头顶的中继卫星。而对两极区域和靠近正背面交界的区域,中继卫星的月平高度角迅速变小,也很容易被山脉遮挡。这就决定了,南极附近探测的中继卫星需要运行在类似地球上闪电卫星轨道或者极轨卫星轨道上,而且还只能在指定时段进行通信,无法全时段通信。

最后,是能源问题,月球两极附近高度角低的不仅是地球和中继卫星,还有太阳,南极探测的最高价值目标就是永夜区的水冰,探测器将面临更加严苛的温控以及用电难题。

综上,月球南极探测非常困难,短时间内各国都没有挑战纬度超过70°的两极地区的计划,即便打着探测南极的旗号,也会选择小于70°的中高纬度地区进行,未来的南极探测很可能会选择通过携带补给的月球车巡视器完成。

单纯降落的话,正面背面难度都是一样的,毕竟肉眼看不到,就算看到也只能干瞪眼,没办法插手,如果能远程控制,那探测器的要求就不用那么高,随便弄个直升机就飞上去了。

降落的难点主要有三点:

1,全自动控制

月球距离地球大概38万5千公里,这个距离即使是光速都要1秒多,一来一回差不多就要3秒,而电子信号的速度是比光速要稍微慢一点的,这样来回花的时间就更长,根本没办法人为控制。

所以探测器在降落的时候,必须所有的操作都由探测器系统本身去控制。

2,降落

月球没有大气层,也没有海洋,所以不可能靠大气层用降落伞减速,也不能冲进水里,唯一的减速方法就是通过反推火箭喷射推力。

但在下降的过程中,距离地面越来越近,由于推进剂不断减少,探测器整体的质量改变,所以推进器的推力自然也会随着质量以及月球引力的改变而改变。

这对推进系统和发动机有很高的要求,以色列的探测器就是因为发动机罢工而坠毁。

3,着陆点

在没有人员驾驶的情况下,探测器只能一边降落一边自己观察周围的环境,避开有可能的危险区域,这对避障技术有很高的要求,而且在这过程中还要对推进系统控制,避免提前燃料用尽。

虽然有鹊桥中继星,但这对于降落并没有太大的作用,鹊桥的用处就是传递信息,而且鹊桥离地球比月球离地球要更远,延迟也会更久。

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