印度班加罗尔——当印度空间研究组织（ISRO）任务控制中心在紧张的静默时刻后爆发出欢乐的欢呼声时，该航天机构将其月球着陆器以及印度送入了史册。8月23日UTC时间中午12:33，印度月船3号任务的机器人着陆器“维克拉姆”号在月球南极附近着陆。于7月14日发射的月船3号是ISRO在上次坠毁的月船2号任务于2019年失败后，加倍押注月球着陆的结果。随着航天器现在安全地在月球上，ISRO的努力得到了回报，印度已成为继前苏联、美国和中国之后，第四个实现月球软着陆的国家。
月船3号的整个月球下降过程必须完全自主。在任务的这个关键阶段，信号从着陆器到达地球并返回需要大约三秒钟的时间——对于地球上的ISRO工程师来说，这个延迟太长，无法可靠地引导着陆。因此，“维克拉姆”号的任务是将自身的高轨道速度降至零，使其尽可能接近其预定轨迹，直至安全着陆。为此，它需要根据对距离、速度和方向的持续测量来协调发动机的点火。
为了这次成功着陆，ISRO在月船3号中构建了比月船2号更多的冗余和安全措施。在8月5日的谈话中，ISRO负责人S·索马纳特强调了月船3号如何携带更多燃料和更好的制导、导航和控制系统，以纠正甚至偏离预定路径的重大偏差。“月船3号对21个子系统进行了改进。这些改进已通过大量的直升机和起重机地面测试得到加强，”ISRO空间应用中心（SAC）主任尼莱什·德赛在印度艾哈迈达巴德说道。
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显然，这些改进最终促成了月船3号的成功着陆。这一成功并非理所当然，特别是考虑到过去五年中之前的六次登月尝试中有四次失败。最近的一次失败发生在8月19日，当时俄罗斯的“月球25号”探测器发动机失灵，并坠毁在月球上——这残酷地提醒人们，完整地到达月球表面仍然具有风险。“月球25号”由此加入了以色列公司SpaceIL的“创世纪”号、印度的月船2号和日本私营公司ispace的“白兔-R”号航天器的残骸行列。值得庆幸的是，至少月船3号的结果反而追随了中国的嫦娥四号和嫦娥五号着陆器，这是最近仅有的其他成功案例。
“我们现在肩负着巨大的责任，要在不低于这次着陆的水平上激励印度和世界，”U. R. Rao卫星中心（URSC）主任桑卡兰·穆图萨米说，URSC是ISRO中心，负责领导月船3号航天器和任务的建造和集成。
月船3号如何到达月球
月船3号大约19分钟的月球下降过程包括四个主要阶段。第一个阶段是“粗制动”阶段，当航天器在其轨道上位于月球上方30公里处，并且距离其着陆点约750公里时开始。通过点燃其全部四个800牛主发动机约12分钟，直到高度达到7公里，月船3号将其约1.7公里/秒的高水平速度降低了约80%。
接下来是短暂但至关重要的10秒“姿态保持”阶段，在此阶段，着陆器使用其八个较小的推进器稳定自身，以便为其各种着陆传感器获得清晰的下方月球表面视野。
为了进行高度测量，月船3号依赖于两个高度计，一个使用激光，另一个使用微波。虽然激光高度计被几个月球着陆器普遍采用，但有时如果着陆器经过山区地形或大型陨石坑，它们可能会报告异常高度。“相反，微波高度计更宽的覆盖范围使月船3号能够更好地容忍海拔的突然变化，”SAC的普里扬卡·梅赫罗特拉解释说，她是月船3号Ka波段微波高度计的首席系统设计师。
过去着陆失败的地方
月船3号的冗余测高法尤其重要，因为激光测高法在ispace的4月25日着陆失败的首个月球着陆器中发挥了作用。当该着陆器经过阿特拉斯陨石坑的边缘，接近位于其中的目标着陆点时，其激光高度计正确报告了海拔高度增加约3公里，这与陨石坑的深度相符。但是，旨在滤除某些突变值以保持ispace着陆器运动稳定的机载软件将该测量值视为错误而拒绝。日本着陆器认为自己比实际更接近表面，继续缓慢减速，直到燃料耗尽并坠毁着陆。
月船2号在姿态保持阶段失败。由于推力控制阀功能不足，其发动机提供的推力略大于预期，这随着时间的推移累积了导航误差。ISRO已将机载计算机设计为仅在姿态保持阶段结束后才纠正此类“非标称”路径。但是偏差迅速增大，以至于着陆器即使能够调节推力也无法及时纠正。
作为回应，ISRO确保月船3号能够比其失败的前辈更快地确定和纠正偏离预定轨迹的偏差。月船3号的着陆器还使用了一种名为激光多普勒测速仪（LDV）的新仪器，以便首先更精确地导航。“虽然月球着陆器还有其他方法可以测量其速度，但LDV提供了相对于地面的速度的直接测量，这使得着陆器可以大大减少导航误差的累积，”Firefly Aerospace公司的月球着陆器首席工程师威廉·库根说，这是一家与NASA合作的私营公司，通过该航天机构的商业月球有效载荷服务（CLPS）计划，于2024年和2026年向月球运送科学和技术有效载荷。
一次或两次精细悬停
在充满风险的姿态保持阶段之后，月船3号进入了三分钟的“精细制动”阶段，在此阶段，它仅使用其四个主发动机中的两个下降到月球表面上方约850米，并在那里短暂悬停。这种暂停让着陆器有机会捕捉表面图像，并将其与预加载的机载卫星图像进行比较，以确定它是否位于其期望的着陆区域上方。
“月船3号的目标着陆区跨越4公里乘2.5公里。ISRO的科学家和工程师将其划分为3900个大小相等的子区域，仔细评估了每个子区域的着陆安全级别，并将其作为参考信息加载到着陆器中，”德赛说。此时，月船3号必须做出以下两个决定之一：如果发现自己位于此预定着陆区上方，则机载计算机将识别出最安全的可行子区域，然后相应地继续朝向着陆点前进。如果月船3号发现自己位于其他位置，则它将根据从其图像中自行识别的危险进行自主着陆，而不是基于预编程的基于子区域的着陆。在ISRO确定着陆点后，将知晓采取了哪个决定。
在最后的“末端下降”阶段，月船3号将自身降低到距表面约150米的高度，然后再次悬停约半分钟，以评估下方区域是否存在着陆危险。此时，由于着陆器正下方的表面看起来不安全，因此着陆器寻找了更安全的相邻区域，并偏离到那里着陆。
“月船3号加速了避障处理系统，以使着陆器在关键的最后阶段的决策速度明显快于月船2号，”SAC的林库·阿格拉瓦尔说，他领导了开发避障系统处理单元的团队。
航空航天公司Astrobotic Technology的首次登月任务的飞行主管安德·索洛扎诺说：“如果需要在最后时刻进行关键的转移操作以确保安全着陆，避障检测和规避是允许的。”Astrobotic Technology的首次登月任务将携带NASA CLPS和国际有效载荷。
最后，在着陆时，着陆器腿上的传感器触发了其主发动机的关闭。月船3号现在高高地矗立在月球上。
ISRO将着陆器的腿设计为吸收着陆时的大部分机械冲击。该机构在地球上的月球模拟试验台上测试了这些腿，以确保着陆器能够承受3米/秒的高垂直速度，甚至在倾斜着陆时也能承受1米/秒的水平速度。
“着陆很平稳；垂直速度甚至明显低于2米/秒的标称上限，”ISRO负责人S·索马纳特在着陆后的新闻发布会上说。
月船3号在当地日出后不久降落在月球南极附近。这样做可以将任务的表面操作寿命最大化到整个月球白天（14个地球日），因为着陆器和它将部署的漫游车都是太阳能供电的。为了开始月船3号的表面科学任务，“维克拉姆”号将激活其四个机载仪器，并通过坡道部署漫游车，开始探索地质构造丰富的着陆区域。
印度的下一次登月
月船3号融入了向月球，特别是其南极发送硬件的全球热潮。美国即将到来的“阿耳忒弥斯”载人任务、中国的“嫦娥”机器人探测器以及大多数其他政府和私人努力（例如NASA的CLPS计划下的那些）都计划探索这个有价值的月球区域。他们最终目标是提取其
因此，当印度于6月21日签署美国主导的月球合作探索框架《阿耳忒弥斯协定》时，时机恰到好处。作为签署国，印度现在可以通过更好地与美国和其他签署国合作来加速其月球事业。Astrobotic首席执行官约翰·桑顿说：“我对印度签署该协定感到鼓舞。这无疑是两国之间扩大伙伴关系和共同开发的信号。作为一个物种，我们在这方面做得越多，我们共同成功的机会就越大。”
对于其下一次登月任务——目标是在本十年末之前发射——印度可能会与另一个《阿耳忒弥斯协定》参与者日本合作。两国计划的LUPEX漫游车将直接研究月球南极水冰的性质、丰度和可获取性，并可能为作为NASA“阿耳忒弥斯”计划一部分的未来载人任务提供重要数据。ISRO月球科学与探索计划副主任S·梅加拉说：“LUPEX需要更精确的着陆和更大的着陆器。月船3号的成功将成为印度建造LUPEX着陆器的垫脚石，从而在未来月球探索中发挥关键作用。”
但是，首先，印度政府必须正式批准国家的参与。（日本已经为自己的贡献开了绿灯。）与此同时，日本将启动另一项自己的月球任务：日本的“智能月球探测器”（SLIM）计划于8月26日发射升空，目标是在今年晚些时候实现月球着陆，以演示用于在复杂地形中实现精确且经济实惠的月球着陆的新技术。