印度班加羅爾——當印度空間研究組織（ISRO）任務控制中心在緊張的靜默時刻後爆發出歡樂的歡呼聲時，該航天機構將其月球著陸器以及印度送入了史冊。8月23日UTC時間中午12:33，印度月船3號任務的機器人著陸器“維克拉姆”號在月球南極附近著陸。於7月14日發射的月船3號是ISRO在上次墜毀的月船2號任務於2019年失敗後，加倍押注月球著陸的結果。隨著航天器現在安全地在月球上，ISRO的努力得到了回報，印度已成為繼前蘇聯、美國和中國之後，第四個實現月球軟著陸的國家。
月船3號的整個月球下降過程必須完全自主。在任務的這個關鍵階段，訊號從著陸器到達地球並返回需要大約三秒鐘的時間——對於地球上的ISRO工程師來說，這個延遲太長，無法可靠地引導著陸。因此，“維克拉姆”號的任務是將自身的高軌道速度降至零，使其儘可能接近其預定軌跡，直至安全著陸。為此，它需要根據對距離、速度和方向的持續測量來協調發動機的點火。
為了這次成功著陸，ISRO在月船3號中構建了比月船2號更多的冗餘和安全措施。在8月5日的談話中，ISRO負責人S·索馬納特強調了月船3號如何攜帶更多燃料和更好的制導、導航和控制系統，以糾正甚至偏離預定路徑的重大偏差。“月船3號對21個子系統進行了改進。這些改進已透過大量的直升機和起重機地面測試得到加強，”ISRO空間應用中心（SAC）主任尼萊什·德賽在印度艾哈邁達巴德說道。
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顯然，這些改進最終促成了月船3號的成功著陸。這一成功並非理所當然，特別是考慮到過去五年中之前的六次登月嘗試中有四次失敗。最近的一次失敗發生在8月19日，當時俄羅斯的“月球25號”探測器發動機失靈，並墜毀在月球上——這殘酷地提醒人們，完整地到達月球表面仍然具有風險。“月球25號”由此加入了以色列公司SpaceIL的“創世紀”號、印度的月船2號和日本私營公司ispace的“白兔-R”號航天器的殘骸行列。值得慶幸的是，至少月船3號的結果反而追隨了中國的嫦娥四號和嫦娥五號著陸器，這是最近僅有的其他成功案例。
“我們現在肩負著巨大的責任，要在不低於這次著陸的水平上激勵印度和世界，”U. R. Rao衛星中心（URSC）主任桑卡蘭·穆圖薩米說，URSC是ISRO中心，負責領導月船3號航天器和任務的建造和整合。
月船3號如何到達月球
月船3號大約19分鐘的月球下降過程包括四個主要階段。第一個階段是“粗製動”階段，當航天器在其軌道上位於月球上方30公里處，並且距離其著陸點約750公里時開始。透過點燃其全部四個800牛主發動機約12分鐘，直到高度達到7公里，月船3號將其約1.7公里/秒的高水平速度降低了約80%。
接下來是短暫但至關重要的10秒“姿態保持”階段，在此階段，著陸器使用其八個較小的推進器穩定自身，以便為其各種著陸感測器獲得清晰的下方月球表面視野。
為了進行高度測量，月船3號依賴於兩個高度計，一個使用雷射，另一個使用微波。雖然雷射高度計被幾個月球著陸器普遍採用，但有時如果著陸器經過山區地形或大型隕石坑，它們可能會報告異常高度。“相反，微波高度計更寬的覆蓋範圍使月船3號能夠更好地容忍海拔的突然變化，”SAC的普里揚卡·梅赫羅特拉解釋說，她是月船3號Ka波段微波高度計的首席系統設計師。
過去著陸失敗的地方
月船3號的冗餘測高法尤其重要，因為雷射測高法在ispace的4月25日著陸失敗的首個月球著陸器中發揮了作用。當該著陸器經過阿特拉斯隕石坑的邊緣，接近位於其中的目標著陸點時，其雷射高度計正確報告了海拔高度增加約3公里，這與隕石坑的深度相符。但是，旨在濾除某些突變值以保持ispace著陸器運動穩定的機載軟體將該測量值視為錯誤而拒絕。日本著陸器認為自己比實際更接近表面，繼續緩慢減速，直到燃料耗盡並墜毀著陸。
月船2號在姿態保持階段失敗。由於推力控制閥功能不足，其發動機提供的推力略大於預期，這隨著時間的推移累積了導航誤差。ISRO已將機載計算機設計為僅在姿態保持階段結束後才糾正此類“非標稱”路徑。但是偏差迅速增大，以至於著陸器即使能夠調節推力也無法及時糾正。
作為回應，ISRO確保月船3號能夠比其失敗的前輩更快地確定和糾正偏離預定軌跡的偏差。月船3號的著陸器還使用了一種名為雷射多普勒測速儀（LDV）的新儀器，以便首先更精確地導航。“雖然月球著陸器還有其他方法可以測量其速度，但LDV提供了相對於地面的速度的直接測量，這使得著陸器可以大大減少導航誤差的累積，”Firefly Aerospace公司的月球著陸器首席工程師威廉·庫根說，這是一家與NASA合作的私營公司，透過該航天機構的商業月球有效載荷服務（CLPS）計劃，於2024年和2026年向月球運送科學和技術有效載荷。
一次或兩次精細懸停
在充滿風險的姿態保持階段之後，月船3號進入了三分鐘的“精細制動”階段，在此階段，它僅使用其四個主發動機中的兩個下降到月球表面上方約850米，並在那裡短暫懸停。這種暫停讓著陸器有機會捕捉表面影像，並將其與預載入的機載衛星影像進行比較，以確定它是否位於其期望的著陸區域上方。
“月船3號的目標著陸區跨越4公里乘2.5公里。ISRO的科學家和工程師將其劃分為3900個大小相等的子區域，仔細評估了每個子區域的著陸安全級別，並將其作為參考資訊載入到著陸器中，”德賽說。此時，月船3號必須做出以下兩個決定之一：如果發現自己位於此預定著陸區上方，則機載計算機將識別出最安全的可行子區域，然後相應地繼續朝向著陸點前進。如果月船3號發現自己位於其他位置，則它將根據從其影像中自行識別的危險進行自主著陸，而不是基於預程式設計的基於子區域的著陸。在ISRO確定著陸點後，將知曉採取了哪個決定。
在最後的“末端下降”階段，月船3號將自身降低到距表面約150米的高度，然後再次懸停約半分鐘，以評估下方區域是否存在著陸危險。此時，由於著陸器正下方的表面看起來不安全，因此著陸器尋找了更安全的相鄰區域，並偏離到那裡著陸。
“月船3號加速了避障處理系統，以使著陸器在關鍵的最後階段的決策速度明顯快於月船2號，”SAC的林庫·阿格拉瓦爾說，他領導了開發避障系統處理單元的團隊。
航空航天公司Astrobotic Technology的首次登月任務的飛行主管安德·索洛扎諾說：“如果需要在最後時刻進行關鍵的轉移操作以確保安全著陸，避障檢測和規避是允許的。”Astrobotic Technology的首次登月任務將攜帶NASA CLPS和國際有效載荷。
最後，在著陸時，著陸器腿上的感測器觸發了其主發動機的關閉。月船3號現在高高地矗立在月球上。
ISRO將著陸器的腿設計為吸收著陸時的大部分機械衝擊。該機構在地球上的月球模擬試驗檯上測試了這些腿，以確保著陸器能夠承受3米/秒的高垂直速度，甚至在傾斜著陸時也能承受1米/秒的水平速度。
“著陸很平穩；垂直速度甚至明顯低於2米/秒的標稱上限，”ISRO負責人S·索馬納特在著陸後的新聞釋出會上說。
月船3號在當地日出後不久降落在月球南極附近。這樣做可以將任務的表面操作壽命最大化到整個月球白天（14個地球日），因為著陸器和它將部署的漫遊車都是太陽能供電的。為了開始月船3號的表面科學任務，“維克拉姆”號將啟用其四個機載儀器，並透過坡道部署漫遊車，開始探索地質構造豐富的著陸區域。
印度的下一次登月
月船3號融入了向月球，特別是其南極傳送硬體的全球熱潮。美國即將到來的“阿耳忒彌斯”載人任務、中國的“嫦娥”機器人探測器以及大多數其他政府和私人努力（例如NASA的CLPS計劃下的那些）都計劃探索這個有價值的月球區域。他們最終目標是提取其
因此，當印度於6月21日簽署美國主導的月球合作探索框架《阿耳忒彌斯協定》時，時機恰到好處。作為簽署國，印度現在可以透過更好地與美國和其他簽署國合作來加速其月球事業。Astrobotic執行長約翰·桑頓說：“我對印度簽署該協定感到鼓舞。這無疑是兩國之間擴大夥伴關係和共同開發的訊號。作為一個物種，我們在這方面做得越多，我們共同成功的機會就越大。”
對於其下一次登月任務——目標是在本十年末之前發射——印度可能會與另一個《阿耳忒彌斯協定》參與者日本合作。兩國計劃的LUPEX漫遊車將直接研究月球南極水冰的性質、丰度和可獲取性，並可能為作為NASA“阿耳忒彌斯”計劃一部分的未來載人任務提供重要資料。ISRO月球科學與探索計劃副主任S·梅加拉說：“LUPEX需要更精確的著陸和更大的著陸器。月船3號的成功將成為印度建造LUPEX著陸器的墊腳石，從而在未來月球探索中發揮關鍵作用。”
但是，首先，印度政府必須正式批准國家的參與。（日本已經為自己的貢獻開了綠燈。）與此同時，日本將啟動另一項自己的月球任務：日本的“智慧月球探測器”（SLIM）計劃於8月26日發射升空，目標是在今年晚些時候實現月球著陸，以演示用於在複雜地形中實現精確且經濟實惠的月球著陸的新技術。