今年一月中旬，日本的太陽能SLIM航天器在月球上實現了傾斜但成功的著陸。大多數新聞報道都將這一壯舉視為該國具有歷史意義的首次成功——繼美國、前蘇聯、中國和印度之後，第五個實現月球軟著陸的國家。但SLIM（智慧月球探測器）最具有歷史意義的方面，並非僅僅是著陸本身，而是其卓越的環境。該任務由日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）設計，採用自主導航，展示了在異常險惡的月球地形中前所未有的精確著陸，儘管在下降過程中失去了兩個主發動機中的一個，仍然成功地降落在其佈滿巨石和隕石坑的目標地點的中心附近。
這次著陸是月球探索的一個里程碑，毫無疑問，未來的任務將借鑑SLIM的經驗，實現更精確的著陸，以便在著陸後快速到達具有科學或技術意義的地點。
JAXA宇宙科學研究所副所長藤本正樹說：“透過SLIM，我們證明了現在也可以透過小型任務進入月球上具有特定科學意義的地點，而不是像傳統的、更昂貴的任務那樣，運送大型漫遊車長途跋涉才能到達理想區域。”
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月球上的靶心
要理解SLIM的成就，最好透過工程師所說的“著陸橢圓”來理解，即航天器預計著陸的區域。在理想情況下，著陸器會到達這個橢圓的中心，也就是所宣傳的目標著陸點。但在現實中，即使是導航、制導和控制方面的微小誤差，幾乎都肯定會導致著陸器偏離這一目標。著陸器與橢圓中心的距離定義了實現的精度。
JAXA為SLIM設定了一個雄心勃勃的100米乘100米著陸橢圓，而航天器最終成功降落在距離其中心約55米的位置。這使得SLIM成為歷史上最精確的行星著陸，並且大幅領先於第二名。第二名是中國於2013年著陸的嫦娥三號著陸器，它偏離著陸橢圓中心90米；但嫦娥三號的著陸橢圓面積是SLIM的3600倍，理論上給了中國航天器更大的誤差空間——這對於任務規劃人員來說很重要。
美國宇航局戈達德太空飛行中心的博士後研究員本傑明·法西說：“精確著陸讓您可以透過規劃最佳著陸點來可靠地研究更多型別的岩石和土壤。這樣，您就可以降落在例如撞擊熔融區域，然後輕鬆地開到月海玄武岩區域。如果沒有精確著陸，一輛典型的行程為一公里的漫遊車可能無法覆蓋這兩種巖性。”
看見即成功
SLIM的精確著陸能力的核心是JAXA稱為“基於視覺的導航”的技術。為了確定其在下降過程中的位置和軌跡，SLIM拍攝了月球表面的影像，以便與預先載入在其儲存器中的軌道地圖進行近即時的比較。這些地圖來自NASA的月球勘測軌道飛行器（LRO）、印度空間研究組織（ISRO）的月船二號軌道飛行器以及JAXA自己的SELENE航天器。每套地圖都為SLIM下降的不同階段提供了各自的優勢。例如，月船二號的軌道飛行器高解析度相機（OHRC）提供了最高的空間解析度，因此最適合SLIM的最終下降階段，以及發射前選擇著陸點。
ISRO行星與空間科學資料處理部門負責人兼OHRC團隊首席科學家阿米塔布·辛格說：“JAXA在2021年向我們傳送了為SLIM著陸點成像的請求，因此我們計劃了月船二號軌道飛行器的軌道飛越，以便為（該機構）獲取影像。” 2023年晚些時候，ISRO向JAXA提供了更多來自不同太陽角度的著陸點影像，這有助於工程師調整SLIM的演算法，以便立即識別巨石和其他危險。即使是包括印度自己的月船三號在內的現代機器人著陸器，都可以在著陸的最後階段自行識別良好的著陸點，但缺乏合適的最後一段地圖會影響著陸精度。
當SLIM大約在月球表面上方50米處時，它懸停了第二次，並使用基於視覺的導航和月船二號的影像成功識別了下方的著陸危險。但在此時，它的兩個主發動機噴嘴之一神秘地脫落，偏離中心的推力使SLIM側向移動。SLIM的制導系統識別出這種異常情況，並使用懸停階段捕獲的影像下降，同時不斷嘗試使用另一個主發動機和較小的推進器來穩定其方向。儘管SLIM在著陸時的垂直速度為每秒1.4米，在可接受的範圍內，但向東的橫向運動和著陸方向並非正常，導致它在表面翻轉，太陽能電池板背對太陽。即使遭受了這些問題，SLIM仍然可以看到並瞄準一個安全的著陸點，並設法避免了墜毀。
月球探索的新時代
當與行星任務的快速進步的儀器配對時，精確著陸可以幫助回答一些基本問題，這些問題以前需要昂貴而複雜的樣本返回任務。在發表於《行星科學雜誌》的2021年論文中，法西及其團隊建議，透過使用精確著陸技術，即使是諸如NASA商業月球有效載荷服務計劃下的低成本任務也可以透過瞄準具有重大科學意義的特定地點而獲得超額回報，透過原位測量（而不是在地球上進行昂貴的樣本分析）可以闡明月球歷史中一些模糊的章節。
但這並不意味著精確著陸不會使樣本返回任務受益。此類任務往往是無漫遊車的，以降低任務的複雜性和成本，最近在中國2020年的嫦娥五號任務中可見，該任務帶回了1.7公斤的地質上年輕的火山月球物質。精確著陸可以確保固定式著陸器獲得高保真度的科學結果，因為它允許它們到達並收集它們所需要的確切東西。
前往南極艾特肯盆地（SPA）——月球上最大、最深的已確認撞擊結構——的樣本返回任務已被評估為過去三份行星科學和天體生物學十年調查中的首要探索優先事項。該報告由美國科學界每10年編寫一次，旨在指導NASA未來的任務。科學家認為，造成SPA的撞擊挖掘並散佈了一些月球的內部物質。法西說：“SPA是我們認為月球地幔暴露在地表的唯一地方。如果您想研究這些物質，精確著陸將使您更好地鎖定它們。”
對關鍵SPA區域進行取樣將有助於揭示月球形成和演化的確切條件。為此，中國今年將發射嫦娥六號任務，以返回約兩公斤的SPA樣本。還有NASA的阿爾忒彌斯計劃，該計劃的目標是早在2026年末將人類送往月球南極。雖然目前計劃中的載人著陸都沒有以SPA為目標，但科學家們已經確定了一些阿爾忒彌斯候選著陸點，這些著陸點可能含有SPA撞擊噴射出的地幔物質。由於前兩次載人阿爾忒彌斯著陸，阿爾忒彌斯III和IV將不攜帶漫遊車，因此缺乏有針對性的精確著陸能力可能會限制宇航員僅在距離航天器幾步之遙的地方收集物質。但是，從阿爾忒彌斯V開始，計劃要求宇航員駕駛月球地形車，這可能會讓他們到達最遠20公里以外的地點。
即使那樣，精確的著陸對於阿爾忒彌斯任務來說也可能至關重要，以便進入位於南極永久陰影區域內的水冰，這是該計劃的主要目標。那裡的地形崎嶇不平，有陡峭的斜坡，只有少量孤立的平坦區域供著陸器停靠。在那裡，偏離目標僅僅幾米就可能意味著，在富含水冰的隕石坑邊緣附近成功著陸，或者從其壁上致命地跌落。
高精度夥伴關係
當然，阿爾忒彌斯宇航員大概能夠像他們的阿波羅時代的前輩一樣控制著陸器的下降，但即使如此，自動化能力也將有助於實現里程碑。此外，NASA最近要求SpaceX和藍色起源開始為未來阿爾忒彌斯任務開發其載人月球著陸器的貨運版本。這些將需要類似SLIM的自動化精確著陸，以便為宇航員可靠地運送物資，從2030年代的阿爾忒彌斯VII開始。因此，SLIM在巨石易發的地區和不小的斜坡上的下降是對極地著陸某些方面的有益模擬。
實際上，對於計劃在本十年末之前發射的下一個月球任務，JAXA正在與ISRO合作，讓其月球極地探測任務（LUPEX）漫遊車直接研究極地著陸點水冰的性質、丰度和可達性。為了在險惡的極地地形中安全而精確地著陸LUPEX，ISRO將借鑑月船三號的成功和SLIM的成功，建造著陸器。
對於印度空間研究組織（ISRO）而言，SLIM 的案例也突顯了“月船 2 號”如何提供先進的軌道資料，以幫助美國宇航局（NASA）更好地篩選 阿耳忒彌斯計劃的著陸點候選，尤其是在 2009 年發射的月球勘測軌道飛行器（LRO）逐漸老化，最終將被淘汰的情況下。辛格表示，“月船 2 號”的 OHRC 相機拍攝的立體影像可能對確保阿耳忒彌斯計劃的成功著陸至關重要，因為它們提供的“高度點解析度比 LRO 影像高出四倍”，這使得即將到來的航天器能夠更好地辨別地形地貌。
在去年 2023 年 9 月舉行的美國宇航局支援的 月球探測分析小組 年度會議上，LRO 專案科學家和阿耳忒彌斯 III 任務的科學負責人諾亞·彼得羅重申了這種合作價值，他說：“[‘月船 2 號’軌道器]的資料正在透過填補重要需求來擴充套件 LRO 的基礎，我們非常期待從該任務中獲得更多資料。”