以色列探月：就差临门一脚

文/迟惑

▲“创世纪号”传回的最后一张画面，然后它就坠毁了

2019年4月14日，被以色列各界寄予厚望的“创世纪号”月球着陆器坠毁在月面上，这宣告以色列冲击“世界上第四个月球软着陆国家”的努力失败了。虽然说失败是成功之母，但最终导向成功的失败才有意义。如果详细分析“创世纪号”的飞行过程，可以发现问题还是不小的。如果SPACEIL公司和IAI公司继续按照这样的模式来研制后续月球着陆器，未必能走向成功的终点。

月球X大奖赛

SPACEIL公司和“创世纪号”的起源，都可以追溯到2007年发起的谷歌月球X大奖赛。谷歌公司为了鼓励民营企业积极投身航天探索，创办了一个奖金2500万美元的赛事。按照赛制规定，在2012年12月31日之前，任何企业或团体只要第一个把月球车发射到月球上，在月球上行走500米，并且发送1G的图像信号回地球，就可以获得2000万美元。第二名获得500万美元。如果在2012年12月31日之后、2014年12月31日之前做到，第一名奖金下降到1500万美元。

这项赛事引起了全球范围内的轰动，应者云集。但是到了2014年年底，居然没有任何一个团队能够做到。主办方只好把赛事延期到2018年1月28日终止。然而到了这一天，还是没有人能把探测器发射到月球上去。不过有几个代表队真正进入了探测器研制状态。SPACEIL就是其中一个。

或许是主办方认为，赛事就这样灰溜溜地收场，对商业航天的发展打击太大了，于是在2018年4月，主办方宣布月球X大奖赛重新启动。但由于谷歌不再赞助，这次没有奖金了。没有奖金的大奖赛还能叫大奖赛吗？很显然，这是要给接近终点的几个团队一个交代而已。但实际上，继续向前走的团队只有SPACEIL一家。在月球X大奖赛重新启动的消息公布后不久，SPACEIL就宣布，探测器已经接近于研制完成。于是乎，“创世纪号”成了唯一进入发射程序的月球X大奖参赛者。

▲以色列梦想着成为第四个月球软着陆的国家

不过这不仅仅是为了情怀和梦想，以色列为了推动宇航产业发展动用了政府力量。就在月球X大奖赛第一轮截止期邻近的时候，SPACEIL公司公开哭 穷。2017年12月5日，SPACEIL首席执行官厄兰·普利维曼对媒体表示，还需要再筹集3000万美元的资金，才能把工作继续下去。但是SPACEIL的董事会前主席、亿万富翁莫里斯·可汗说，如果团队能到市场上或者政府那里找到不少于2000万美元，他就再出1000万美元。

这位可汗说话是有分量的，因为他已经为创世纪项目出资1800万美元，在当时已经筹集到的5500万美元里占了很大的一部分。不得不说，这家机构的筹款能力还是不错的，9天之后，他们就弄到了2250万美元的捐款承诺，这其中应该包括可汗的1000万，但还差750万美元才够。经常观察航天项目经费的读者可能对750万美元这种数字已经无感了，但其实这是一笔很大的款子，要人平白捐献这么多钱，谈何容易。

到2018年4月月球X大奖赛OHB公司的身上。

可能是因为研制和试验工作顺利，SPACEIL的承包商IAI公司甚至开始考虑后续探月任务了。其实IAI目前还只有地球观测卫星飞行成功的经验，把星际探测器的难度想得太低了。

终于发射

▲以色列总理内纳尼亚胡兴奋地观看着陆过程直播

2019年2月21日，“创世纪号”终于搭载猎鹰9号火箭发射升空。之所以要说搭载，是因为这次发射的主要载荷是印度尼西亚的PSN-6通信卫星。PSN-6重达4100千克，而“创世纪”只有600千克。发射33分钟后，“创世纪号”与火箭分离，踏上了奔月之旅。“无奖金重启”的时候，SPACEIL已经弄到了足够的钱。而另外一个团队synergy moon对是否继续月球任务含糊其辞，只是在推特上表示“要继续前往月球”。SPACEIL不但不缺钱了，而且还向欧空局伸去了橄榄枝，打算在“创世纪号”上搭载欧洲的科学设备。这些设备的研制工作最后落到了德国有趣的是，按照SPACEIL发布的视频，“创世纪号”并不是搭载在整流罩中，而是搭载于火箭上面级的下方。火箭先把“创世纪号”释放出来，然后再带着PSN-6卫星继续前往更高的轨道。以喜欢发帖而著称的马斯克却对自己承担了这样一项星际探测任务没有什么表态，或许是觉得不载人的东西都不值得他关心吧。

▲“创世纪号”拍到了月球表面的地形

▲“创世纪号”飞向月球的过程中，拍摄了地球的画面

SPACEIL公司当然很激动，这家企业不但把以色列总理内塔尼亚胡请到了控制室，现场观看发射直播，还迅速通过各种渠道发布了消息，甚至制作了“以色列将成为继美苏中之后第四个月球软着陆国家”“SPACEIL将成为第一个月球软着陆的非政府航天组织”的视频。大批以色列儿童聚集在电视机前，看着发射视频高声欢呼。面对这样的场景，我们只能说：孩子，你经历得还不够多。

变轨过程

“创世纪号”的发射也成为国际航天界的热门话题，似乎人人都认为它肯定能成功。

由于发射质量小，因此“创世纪号”携带的燃料非常有限，只能采取省燃料、费时间的轨道转移方案。从发射后，它历时一个多月才被月球捕获。相比之下，嫦娥三号探测器发射后只用了12天就进入着陆程序了。

然后，“创世纪号”用自己的发动机点火，进入一个远地点达到6万公里的狭长大椭圆轨道。当回到近地点的时候，它继续加速，把远地点提升到14万公里。在第三圈，“创世纪号”要把远地点提升到27万公里，在这个轨道上绕行一圈，等待月亮到达合适位置。在第四圈，“创世纪号”把轨道高度提升到40万公里，超过了月球绕地球飞行的轨道高度。它要在这个轨道上运行一整圈，当再次运行到远地点的时候，正好与月球交会。这时，“创世纪号”要进行一定的减速，这样就正好被月球吸引过去，进入环绕月球飞行的轨道。

“创世纪号”被月球捕获后，进入了近月点290公里、远月点1万公里的椭圆轨道，然后通过制动来降低高度，进入一条距离月球表面250公里的圆轨道。在这个过程里，“创世纪号”拍摄了不少月球表面的照片，引起宇航界一片轰动。3月28日，组委会表示，要向SPACEIL颁发100万美元的“月球射入奖”。

到了4月中旬，“创世纪”终于要进行最后一步，软着陆了。

“临门一脚”很重要

SPACEIL自称，自己已经非常接近成功，这话并不算错。但差一步也不是成功，而且最后这一步到底有多少风险多少磨难，不走到终点是无法知道的，就像足球比赛的临门一脚一样。至少我们可以知道，SPACEIL在“创世纪号”的研制中，没有对这“临门一脚”做充分的试验验证。

▲即将进入模拟器进行真空试验的“创世纪号”

但在地面试验中，SPACEIL和IAI采取了另一种办法。从他们公布的视频来看，只是用一台吊车把“创世纪号”吊在一米多高的位置，然后松开吊钩，让它掉落在一片软质土壤上。按照有关物理公式，这样的方式也说得通，不过总让人有一种取巧的感觉。但是，我们并没有看到“创世纪号”用火箭反推、受控下降过程的演示验证。如果SPACEIL和IAI真的没有做这项试验，那未免自信过度了。航天活动数十年的历史已经证明，没有在地面接受过充分验证的技术和方案，贸然上天，是一定会出问题的。出资人可汗已经表态，会支持后续的月球任务。然而工程上的风险往往是很难预测的。那么如果SPACEIL真的再次启动探月任务，就必须有所投入，来测试一下软着陆方案的全过程。到时候，8000万美元够不够用，就不好说了。

故障原因分析

像“创世纪号”这种着陆期间忽然发生故障然后失去联系的情况，一般是制导导航控制系统（GNC）出了问题。事实上，SPACEIL公布的情况也符合这个判断。

“创世纪号”选定的着陆场，面积大约在30平方公里。听起来面积不算小，但是“创世纪号”在着陆前的飞行速度大约是每小时6000公里，因此难度还是有一些的。

按照这家机构的说法，“创世纪号”在距离月球表面150米的地方，一个惯性器件出了问题，导致电脑错误地关闭了主发动机。地面人员发现问题后立刻设法重启，但为时已晚，着陆器以每小时500公里的速度冲向了月球表面。看上去，这是一次简单的单点失效，SPACEIL的运气比较差。国外媒体的报道也称，SPACEIL已经非常接近成功了。毕竟是走到最后一步了嘛。

然而这最后一步看来并不好走。

原因推测

我们在这里可以做出一点推测。当时“创世纪号”正在减速下降过程中，它首先要把主发动机朝向飞行前方，产生一个与速度矢量相反的推力，使它不再维持绕月球飞行的轨道，而是向月面下降。当速度下降到一定程度后，要再次调整姿态，把主发动机朝向月球表面，一边横飞一边逐步减速下降，最后降落在预定区域。可以发现，在这个过程中飞行器的姿态会发生剧烈的变化。惯性器件——主要是陀螺仪——产生误判的可能性是很大的，而且降落过程非常短，一旦开始减速，就没有犯错误的机会，或者成功着陆，或者摔下去。从以色列IAI公司曾经制造过的航天器来看，还没有哪种具有这样的能力，也就是说，他们没有相关经验。

惯性器件如果向计算机发出了错误的信号，会让计算机误以为着陆器已经到达了预定高度，就关掉了发动机。然而我们从视频中看到的情况并不止于此，“创世纪号”似乎并不是垂直于月面下降的，而是有一定的角度。因此，姿态调整动作或许并没有充分完成。这时候再错误地关闭发动机，就是雪上加霜。

单点失效要避免

无论SPACEIL还是IAI，都缺乏设计外星着陆器的经验，但仅仅是缺乏经验这样简单吗？这表明“创世纪”的总体设计是存在严重问题的。在任何系统设计中，都要极力避免单点失效的风险存在。对航天器来说，除了结构、太阳电池这种难以备份的分系统之外，其他分系统要尽量提供备份，防止单个元器件或者组件失效导致整星失效。而且对GNC来说，计算机不能依靠一个器件的输入就做出判断。尤其是外星探测器，这种探索性质的航天器往往会遇到人们意料之外的事情。宇宙中环境复杂，各种电磁波、宇宙射线、带电粒子的干扰，往往会导致某个敏感器产生误判。星上计算机必须通过多个敏感器的输入来进行综合，或者根据轨道和姿态预测，排除单个敏感器的错误数据。

SPACEIL在宣传片中高度强调，自己要用很少的预算来实现航天大国花了几十亿美元才做到的事情。“创世纪号”显然是为了控制成本，尽可能地减少了各种分系统中的备份措施。这样不但降低了探测器本身的制造成本，也降低了重量和体积，减少了发射成本，但后果是造成了大量单点失效风险。实际上，在“创世纪号”变轨的过程中就出过问题。2月28日，“创世纪号”的计算机发生了“指令软件故障”。在地面人员的干预下，故障被排除了。变轨过程比较漫长，提供了人工干预的机会，而降落月球的过程却没有这样的机会。

因此，在搞航天型号的时候，不该省的就不能省。

▲IAI公司厂房中的“创世纪号”，注意发动机位置

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“创世纪号”什么样

“创世纪号”是一个什么样的探测器呢？

有趣的是，无论甲方SPACEIL还是承包商IAI，都没有对“创世纪号”的技术细节给出足够清晰的描述，只是发布了一些不算详细的视频，并且在网站上做了简单说明。我们有理由相信，这两家机构打算在任务成功之后，在某个重大场合公开宣布有关的技术细节和探测成果，比如国际宇航联的年度大会。不过看来，至少2019和2020年，这个愿望不可能实现了。我们只能根据有限的资料，来判断一下它的结构和工作原理。

首先，“创世纪号”采用了月球着陆器的标准构型，也就是四个着陆腿支撑着一个双层平台。两层平台中间是四个球形的燃料罐。在上层平台顶部和侧面，贴着太阳电池，装着各类科学仪器。而在下层平台的下表面，装着用于着陆的主发动机和多个姿态控制发动机。电子设备则见缝插针地安装在各层平台上。

在主发动机的旁边，还有8个姿控发动机。按照设计要求，“创世纪号”要在距离月球表面5米的地方关闭所有发动机，然后自由落体到月球表面。

由于发射质量只有600千克，推进剂携带量有限，因此“创世纪号”不但要在星际飞行中尽量节省燃料，还要在着陆过程中节省燃料。为此，SPACEIL设计了一种独特的着陆支腿，打算用U形弹簧减震的方式来实现最后落地的过程。简单说，就是把着陆支腿设计成套管形式。在两层套管上各自有一个铰链，连接着U形弹簧的两端。

在发射和整个飞行期间，U形弹簧是伸展的。进入着陆状态后，主发动机把着陆器下降到距离月球表面大概1米的地方，然后关机，“创世纪号”自由落向月球表面。按照设计，这时候的着陆器姿态是端正的，四个支腿能几乎同时落地。U形弹簧吸收冲击的能量后被压缩成Ω状，保护着陆器上的仪器设备不受冲击。

然而，这个独特的设计并没有得到一展身手的机会。