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为什么地球的航天器在外星球软着陆很难？

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 ， 这宣告着以色列冲击“世界上第四个月球软着陆国家”的努力失败了 。 以色列的这次失败 ， 让“月球软着陆俱乐部”的成员名单保持在三位：美国、苏联/俄罗斯、中国 。 有意思的是 ， 这与载人航天俱乐部的名单是一致的 。 软着陆难道就这样困难吗？的确如此 。
目前为止 ， 人类尝试过的软着陆对象包括地球本身、月球、火星、小行星和彗星 。 火星软着陆成功的只有美国 ， 欧洲的着陆器摔坏了 。 在小行星上成功着陆的只有日本 ， 而且是连续两次 。 欧洲曾经在楚留莫夫－格拉希门克彗星上软着陆了“菲莱”探测器 ， 但着陆状态并不理想 ， 很难说算不算成功 。
月球距离地球最近 ， 人们对月球正面的观察与勘测也更加全面 。 因此 ， 在月球正面着陆看上去应该是最容易的 。 那么 ， 实际的着陆成功率是多少呢？目前月球上的人造物体数量不少 ， 有些是环绕月球飞行任务结束后受控撞击月面的 。 为了具备可比性 ， 我们在这里只讨论着陆器进入月球轨道后的软着陆成功概率 。
不超过70%
世界上第一个打算在月球上软着陆的探测器是苏联在1965年发射的月球五号 ， 因为反推火箭失效而坠毁了 。 其后的月球七号、八号也试图软着陆而没有成功 ， 到1966年发射的月球九号终于取得了人类第一次月球软着陆成功 。 月球九号着陆后不到4个月 ， 美国着陆器紧随而至 ， 勘探者一号成功软着陆在月球表面 。 到了这一年的年底 ， 苏联的月球13号再次取得软着陆成功 。
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60年代后半叶到70年代初 ， 美国为了给阿波罗载人登月打前站 ， 大规模发射各种月球着陆器 。 在勘探者一号之后又发射了二号至七号 ， 其中二号和四号着陆失败 ， 其他成功 。 这些着陆器的工作揭开了阿波罗登月的序幕 ， 阿波罗11、12、16、17、14、15连续取得登月成功 ， 阿波罗13没有进入奔月轨道 ， 不计入本文的统计 。
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在此期间 ， 苏联人也没有闲着 ， 月球16、17号在1970年着陆成功 ， 月球20号在1972年着陆成功 。 月球18号在1971年软着陆后失去了联系 ， 苏联科学家判断它可能是掉进陡峭山地 ， 摔坏了 。 1973年 ， 月球21号软着陆成功 ， 还释放了月球车 。 1974年月球23号在月球上着陆 ， 这是一个采样返回型号 ， 但着陆时掉进了一个坑里失去了平衡 。 虽然它发回了一些数据 ， 但采样工作失败了 。 月球24号在1976年发射 ， 成功带回了月球岩石样本 。
至此 ， 人类第一阶段的月球软着陆活动宣告结束 。 在25次成功进入环月飞行的软着陆探测器中 ， 有7次着陆失败 。 其中苏联共尝试软着陆12次 ， 失败5次 。 美国共尝试软着陆13次 ， 失败2次 。 如果排除有人操纵的阿波罗飞船 ， 美国共尝试“勘探者”无人探测器着陆7次 ， 失败2次 。 总体来说 ， 美苏合计的无人探测器软着陆成功率并不算高 ， 只有63.5% 。
从上世纪90年代开始 ， 国际航天界恢复了对月球的探索活动 。 但是近30年来 ， 无论美、欧、日、印发射的都是以环月飞行器 ， 只有中国和以色列尝试在月球上软着陆 。 美国提出重返月球、月球商业货运计划和月球X大奖之后 ， 虽然有很多机构提出了各种理念的月球软着陆器 ， 但都没有进入实际发射 。 在这当中 ， 中国的嫦娥三号和嫦娥四号都取得成功 ， 把全球月球软着陆的成功率提高到了66.7% 。 但“创世纪”的失败又把这个数字压低到了63.6% 。 所以 ， 月球软着陆并不是那么容易的事情 。
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难度在哪里?
月球软着陆为什么如此之难？这是因为从地球到月球表面 ， 需要经过几个比较惊险的阶段 ， 首先是月球捕获 。 需要准确地计算着陆器轨道与月球轨道的交会位置 ， 要让探测器正好被月球吸引过去 ， 进入环绕月球飞行的轨道 。 如果错过 ， 就要再等下个月甚至等好几个月 。 月球捕获的时候 ， 还要精确控制着陆器速度的大小和方向 ， 如果冲得太近 ， 就直接撞到月球上坠毁了 ， 连软着陆的机会都没有 。 创世纪这次还是把这项工作完成了 ， 应该说成就不小 。
然后是着陆 ， 这项工作要分成几个阶段来讨论 。 首先是着陆地点选择 ， 这是在着陆器发射之前就完成的工作 。 理论上说 ， 如果在月球正面着陆 ， 可以找到的月面地形参考资料是很多的 。 以色列和美国关系良好 ， 完全可以找到高精度的地图 ， 用来精确选择一个宽阔平坦的位置 。 相比之下 ， 嫦娥四号所着陆的月球背面 ， 世界各国都没有足够精确的地图 ， 嫦娥四号是依靠自身探测器和人工智能算法 ， 一边探索一边下降 ， 最后安全着陆的 。
当着陆器进入月球轨道后 ， 要通过对月球表面的观测 ， 找到预定的着陆地点 。 然后进入着陆程序 。 这个过程的内容和风险在前文中已经进行了一定的阐述 。
【为什么地球的航天器在外星球软着陆很难？】上述程序 ， 哪个出了问题 ， 都会导致软着陆失败 。 更何况从地球上发射火箭同样存在风险 。 历史上有好几个星际探测器是在发射过程中出了问题 ， 连初始的地球轨道都没能进入 。 还有的在地球轨道上出了问题 ， 例如著名的阿波罗13 。


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