今年一月中旬，日本的太阳能SLIM航天器在月球上实现了倾斜但成功的着陆。大多数新闻报道都将这一壮举视为该国具有历史意义的首次成功——继美国、前苏联、中国和印度之后，第五个实现月球软着陆的国家。但SLIM（智能月球探测器）最具有历史意义的方面，并非仅仅是着陆本身，而是其卓越的环境。该任务由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）设计，采用自主导航，展示了在异常险恶的月球地形中前所未有的精确着陆，尽管在下降过程中失去了两个主发动机中的一个，仍然成功地降落在其布满巨石和陨石坑的目标地点的中心附近。
这次着陆是月球探索的一个里程碑，毫无疑问，未来的任务将借鉴SLIM的经验，实现更精确的着陆，以便在着陆后快速到达具有科学或技术意义的地点。
JAXA宇宙科学研究所副所长藤本正树说：“通过SLIM，我们证明了现在也可以通过小型任务进入月球上具有特定科学意义的地点，而不是像传统的、更昂贵的任务那样，运送大型漫游车长途跋涉才能到达理想区域。”
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月球上的靶心
要理解SLIM的成就，最好通过工程师所说的“着陆椭圆”来理解，即航天器预计着陆的区域。在理想情况下，着陆器会到达这个椭圆的中心，也就是所宣传的目标着陆点。但在现实中，即使是导航、制导和控制方面的微小误差，几乎都肯定会导致着陆器偏离这一目标。着陆器与椭圆中心的距离定义了实现的精度。
JAXA为SLIM设定了一个雄心勃勃的100米乘100米着陆椭圆，而航天器最终成功降落在距离其中心约55米的位置。这使得SLIM成为历史上最精确的行星着陆，并且大幅领先于第二名。第二名是中国于2013年着陆的嫦娥三号着陆器，它偏离着陆椭圆中心90米；但嫦娥三号的着陆椭圆面积是SLIM的3600倍，理论上给了中国航天器更大的误差空间——这对于任务规划人员来说很重要。
美国宇航局戈达德太空飞行中心的博士后研究员本杰明·法西说：“精确着陆让您可以通过规划最佳着陆点来可靠地研究更多类型的岩石和土壤。这样，您就可以降落在例如撞击熔融区域，然后轻松地开到月海玄武岩区域。如果没有精确着陆，一辆典型的行程为一公里的漫游车可能无法覆盖这两种岩性。”
看见即成功
SLIM的精确着陆能力的核心是JAXA称为“基于视觉的导航”的技术。为了确定其在下降过程中的位置和轨迹，SLIM拍摄了月球表面的图像，以便与预先加载在其存储器中的轨道地图进行近实时的比较。这些地图来自NASA的月球勘测轨道飞行器（LRO）、印度空间研究组织（ISRO）的月船二号轨道飞行器以及JAXA自己的SELENE航天器。每套地图都为SLIM下降的不同阶段提供了各自的优势。例如，月船二号的轨道飞行器高分辨率相机（OHRC）提供了最高的空间分辨率，因此最适合SLIM的最终下降阶段，以及发射前选择着陆点。
ISRO行星与空间科学数据处理部门负责人兼OHRC团队首席科学家阿米塔布·辛格说：“JAXA在2021年向我们发送了为SLIM着陆点成像的请求，因此我们计划了月船二号轨道飞行器的轨道飞越，以便为（该机构）获取图像。” 2023年晚些时候，ISRO向JAXA提供了更多来自不同太阳角度的着陆点图像，这有助于工程师调整SLIM的算法，以便立即识别巨石和其他危险。即使是包括印度自己的月船三号在内的现代机器人着陆器，都可以在着陆的最后阶段自行识别良好的着陆点，但缺乏合适的最后一段地图会影响着陆精度。
当SLIM大约在月球表面上方50米处时，它悬停了第二次，并使用基于视觉的导航和月船二号的图像成功识别了下方的着陆危险。但在此时，它的两个主发动机喷嘴之一神秘地脱落，偏离中心的推力使SLIM侧向移动。SLIM的制导系统识别出这种异常情况，并使用悬停阶段捕获的图像下降，同时不断尝试使用另一个主发动机和较小的推进器来稳定其方向。尽管SLIM在着陆时的垂直速度为每秒1.4米，在可接受的范围内，但向东的横向运动和着陆方向并非正常，导致它在表面翻转，太阳能电池板背对太阳。即使遭受了这些问题，SLIM仍然可以看到并瞄准一个安全的着陆点，并设法避免了坠毁。
月球探索的新时代
当与行星任务的快速进步的仪器配对时，精确着陆可以帮助回答一些基本问题，这些问题以前需要昂贵而复杂的样本返回任务。在发表于《行星科学杂志》的2021年论文中，法西及其团队建议，通过使用精确着陆技术，即使是诸如NASA商业月球有效载荷服务计划下的低成本任务也可以通过瞄准具有重大科学意义的特定地点而获得超额回报，通过原位测量（而不是在地球上进行昂贵的样本分析）可以阐明月球历史中一些模糊的章节。
但这并不意味着精确着陆不会使样本返回任务受益。此类任务往往是无漫游车的，以降低任务的复杂性和成本，最近在中国2020年的嫦娥五号任务中可见，该任务带回了1.7公斤的地质上年轻的火山月球物质。精确着陆可以确保固定式着陆器获得高保真度的科学结果，因为它允许它们到达并收集它们所需要的确切东西。
前往南极艾特肯盆地（SPA）——月球上最大、最深的已确认撞击结构——的样本返回任务已被评估为过去三份行星科学和天体生物学十年调查中的首要探索优先事项。该报告由美国科学界每10年编写一次，旨在指导NASA未来的任务。科学家认为，造成SPA的撞击挖掘并散布了一些月球的内部物质。法西说：“SPA是我们认为月球地幔暴露在地表的唯一地方。如果您想研究这些物质，精确着陆将使您更好地锁定它们。”
对关键SPA区域进行采样将有助于揭示月球形成和演化的确切条件。为此，中国今年将发射嫦娥六号任务，以返回约两公斤的SPA样本。还有NASA的阿尔忒弥斯计划，该计划的目标是早在2026年末将人类送往月球南极。虽然目前计划中的载人着陆都没有以SPA为目标，但科学家们已经确定了一些阿尔忒弥斯候选着陆点，这些着陆点可能含有SPA撞击喷射出的地幔物质。由于前两次载人阿尔忒弥斯着陆，阿尔忒弥斯III和IV将不携带漫游车，因此缺乏有针对性的精确着陆能力可能会限制宇航员仅在距离航天器几步之遥的地方收集物质。但是，从阿尔忒弥斯V开始，计划要求宇航员驾驶月球地形车，这可能会让他们到达最远20公里以外的地点。
即使那样，精确的着陆对于阿尔忒弥斯任务来说也可能至关重要，以便进入位于南极永久阴影区域内的水冰，这是该计划的主要目标。那里的地形崎岖不平，有陡峭的斜坡，只有少量孤立的平坦区域供着陆器停靠。在那里，偏离目标仅仅几米就可能意味着，在富含水冰的陨石坑边缘附近成功着陆，或者从其壁上致命地跌落。
高精度伙伴关系
当然，阿尔忒弥斯宇航员大概能够像他们的阿波罗时代的前辈一样控制着陆器的下降，但即使如此，自动化能力也将有助于实现里程碑。此外，NASA最近要求SpaceX和蓝色起源开始为未来阿尔忒弥斯任务开发其载人月球着陆器的货运版本。这些将需要类似SLIM的自动化精确着陆，以便为宇航员可靠地运送物资，从2030年代的阿尔忒弥斯VII开始。因此，SLIM在巨石易发的地区和不小的斜坡上的下降是对极地着陆某些方面的有益模拟。
实际上，对于计划在本十年末之前发射的下一个月球任务，JAXA正在与ISRO合作，让其月球极地探测任务（LUPEX）漫游车直接研究极地着陆点水冰的性质、丰度和可达性。为了在险恶的极地地形中安全而精确地着陆LUPEX，ISRO将借鉴月船三号的成功和SLIM的成功，建造着陆器。
对于印度空间研究组织（ISRO）而言，SLIM 的案例也突显了“月船 2 号”如何提供先进的轨道数据，以帮助美国宇航局（NASA）更好地筛选 阿耳忒弥斯计划的着陆点候选，尤其是在 2009 年发射的月球勘测轨道飞行器（LRO）逐渐老化，最终将被淘汰的情况下。辛格表示，“月船 2 号”的 OHRC 相机拍摄的立体图像可能对确保阿耳忒弥斯计划的成功着陆至关重要，因为它们提供的“高度点分辨率比 LRO 图像高出四倍”，这使得即将到来的航天器能够更好地辨别地形地貌。
在去年 2023 年 9 月举行的美国宇航局支持的 月球探测分析小组 年度会议上，LRO 项目科学家和阿耳忒弥斯 III 任务的科学负责人诺亚·彼得罗重申了这种合作价值，他说：“[‘月船 2 号’轨道器]的数据正在通过填补重要需求来扩展 LRO 的基础，我们非常期待从该任务中获得更多数据。”