SLIM着陆器落月后太阳电池供电故障的可靠性分析

SLIM月球探测智能着陆器由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）研制，执行日本无人着陆器首次月球表面软着陆任务，共耗资16亿美元。其主要目的为验证误差控制在100米以内的精准着陆技术（此前在月球着陆的着陆器误差都在几公里到几十公里之间）。采用了独特的图像匹配导航，在最终降落阶段开始后，将通过比对拍摄到的图像与事先存储的月球表面地图，精确推算自身的位置与速度，同时依靠计算机修正前往着陆点的轨道。JAXA表示，精准着陆技术可将着陆器着陆从“在容易着陆的地方着陆”变为“在想着陆的地方着陆”，这一尝试有助于未来探索月球或是探索比月球着陆条件更严苛的星球。

北京时间2024年1月19日23:20，SLIM着陆器成功着陆在月球东侧表面赤道以南的陨石坑附近，使日本成为继苏联、美国、中国、印度之后第五个实现着陆器成功登月的国家。随后，JAXA召开新闻发布表示，虽然已确认着陆器于月球表面着陆，但随后发现其太阳能电池无法发电，因此着陆器目前只能依靠搭载的电池运行，电量可能只够撑几个小时。这一问题给探测任务的成功蒙上了一层阴影。

SLIM的着陆方案

与美国阿波罗系列以及我国的嫦娥系列着陆器的“垂直着陆”方式不同，SLIM着陆器采用了“趴地着陆”的着陆方式。它在预着陆位置使用相机扫描月面，选择最佳着陆点。在降落阶段，SLIM着陆器和其他月球着陆器一样靠主发动机反推减速，在大约7公里的高度时垂直向下。

待到距离月面三米左右时，姿控发动机便会调整姿态，倾斜着陆器，关闭主发动机，同时开启倾斜一侧下方的侧面发动机，使着陆器缓缓趴到月面上。

选择这种着陆方式，与着陆地点是陨石坑环形山的斜坡上有关。在斜坡上，着陆器四角同高的支架很难保持平衡，因此采用“趴地着陆”的方式。在其着陆的一侧有很短的支撑支架，可以对着陆器起到抬起并固定的作用。

太阳电池故障的原因分析

SLIM着陆器的太阳能帆板安装在体表，无需展开。这是由于着陆器趴在斜坡上时，太阳能帆板一面恰巧能够朝向上方，而着陆器降落的位置就是月球的赤道，所以面向上方的太阳能帆板恰好能接受阳光的能量给着陆器充电。

1月25日，JAXA公布了SLIM着陆器上携带的巡游器拍摄的着陆器的照片，从照片中可以清晰地看到着陆器以“头下脚上”的姿态倒立在月球表面，反推发动机喷口朝上，太阳能电池板朝向西侧而非上方，因此着陆时阳光无法照到。当太阳出现在着陆器西侧时，阳光照射至太阳电池板，着陆器可能会短暂苏醒。

2月1日，JAXA发表声明称，SLIM着陆器在1月30日至31日短暂运转，之后进入长达两周的月夜休眠期。JAXA计划在2月中旬太阳再次照射到电池板时尝试重新启动。

因此，根据现有信息，基本可确定SLIM着陆后太阳电池无法供电的原因为降落时姿态控制发生偏差，或是受到落点地形影响，使着陆后太阳电池阵朝向侧边，无法面向天空接收太阳光照，从而影响太阳能电池板正常供电。

启示

01全面的“九新分析”可降低失败风险

“九新分析”是航天产品风险识别与控制的要素，其中包含“新环境分析”。本次任务SLIM月球着陆器的落点为陨石坑，地形复杂，可能存在倾角较高的斜面或其他岩石。SLIM着陆器设计的“趴地着陆”的着陆方式对探测器落地时在地形上的姿态要求极高。若探测器降落在斜坡上，则仅有一个方向可被太阳光照射，即探测器头部朝向上坡方向（见下图）。若降落方向不理想，或着陆后未达到预定姿态，则会影响太阳光照角度，从而影响太阳阵供电能力。因此，在SLIM着陆器本次任务中，对落点地形这一“新环境”产生的风险识别存在不足，一旦未按预定姿态着陆，则陷入太阳电池无法发电的“窘境”。

另外，温度环境也是新环境分析中的一个重要因素。月面温度环境最低可达-190℃，着陆器在短暂苏醒后，在没有能源支撑的情况下，能否挺过这一低温环境后“复活”，存在严峻的考验。

综上，在航天器设计时，重视“九新”分析，可充分降低风险，提升成功概率。

02“安全底线设计”可提升任务可靠性

系统级安全底线，是指在轨运行过程中，触发航天器灾难性故障或导致关键性故障的最坏条件，一般包括结构安全底线、能源安全底线、测控安全底线、载荷安全底线等。

在SLIM月球着陆器这一案例中，其将太阳电池阵设计为体装，无需展开，这在一定程度上提高了太阳电池阵的可靠性。但体装太阳电池的致命缺点，是对落地姿态要求很高。落地时一旦发生太阳阵朝向地面或侧边的情况，则太阳光无法照到太阳电池表面，将直接导致太阳阵无法供电，从而影响能源安全。若SLIM月球着陆器在设计时，能够充分考虑能源安全底线，在资源许可的情况下采取一定的冗余设计（比如在多个侧面布设太阳电池），则无论何种姿态着地，都有太阳电池受照，从而提供能源支持。因此，在设计时，不能忽视系统安全底线，这是航天器完成任务的基本保障。