最近月球很熱鬧，俄羅斯與印度兩國的無人探測器，將分別於本月21日與23日只差兩天嘗試軟著陸於月球南極地區進行調查，兩國預定著陸點相隔只有大約118公里，全球太空與科學界都非常關心注目。這是印度第二次嘗試在其他星球軟著陸，四年前首次嘗試以失敗收場。俄羅斯則是相隔47年之久後重回月球探險，兩個世代的斷層，加上因俄烏戰爭而遭受嚴厲制裁封鎖，全球關注俄羅斯的太空技術實力是否依然犀利。
俄國比印度晚出發27天，卻將比印度早2天登月。為什麼印度要費40天飛行才能夠進行著陸月球 ? 而俄國只要11天 ? 簡略答案是印度最大的火箭仍不夠力。印度設計的登月探測器很沉重，逼近印度自製最大運載火箭的舉升極限，且探測器本身自帶推力也不夠力，只能妥協在地球橢圓軌道的「近地點」逐步加力升軌，以時間磨耗換取軌道「遠地點」的高度空間，直到進入奔月轉移軌道。
印度無法像俄羅斯一樣一步就直接飛往月球，純粹是火箭能力限制的妥協，而不是名嘴所稱印度採取「穩紮穩打」的策略，實際上印度行事風格並不踏實，有時候甚至會一廂情願與好高騖遠，導致2019年首次軟著陸嘗試以高速墜毀月面收場。
印度於今年再度嘗試登月，於7月14日發射火箭搭載「月船3號」無人探測器，進行第三次探月，以及第二度嘗試軟著陸於月球表面南極高緯度區（但離南極中心點仍有約600公里），科學上首要目標是希望在南極隕石坑裡數億年來都照不到陽光的黑暗角落證實有殘留大塊的水冰存在，政治上則希望藉此提升其太空強國的地位，希冀趕上中國大陸的太空技術實力。「月船3號」吸取四年前「月船2號」軟著陸失敗的教訓，做了許多改進，這次成功的機會應該提高許多。
印度於2019年發射「月船2號」模組，裡面包含推進器（propulsion unit），繞月軌道器（orbitor），登陸器（lander），而登陸器內部還包含一個小型月面漫遊器（rover）。花費近一個月時間成功抵達月球環繞軌道，但是十餘天後登陸器進行軟著陸時最後關頭失敗墜毀，印度全國為此扼腕鬱卒許久。登陸器降落月面過程在最後幾百公尺高度失去聯絡，最後確認高速墜毀。四年來印度太空研究署（ISRO）遲遲不肯公布失事調查報告，公開說法總是含糊其辭。最近「月船3號」已成功環繞月球，即將於8月23日再度挑戰軟著陸，估計是印度ISRO恢復不少自信因此開始願意透露一些當年「月船2號」登陸器墜毀的具體細節。
表層原因是當年登陸器制動（剎車）小火箭在最後關鍵的「精緻剎車」階段出現一點推力偏差，導致登陸器明顯飛行偏離規劃的著陸下降曲線，即將錯過預定降落點，為了校正偏差而引發連鎖不良反應。根本原因則是，導航與姿態控制軟體演算法設計粗糙不夠聰明，這些演算法運作範圍窄，有些指令甚至相互牴觸（事後徹底檢查軟體才發現），因此只適合在正常順利的狀況運作。現在遭遇剎車推力這類參數偏差大的突發狀況，「月船2號」登陸器的軟體演算法缺乏彈性沒變通處理能力，已經飛過頭還執意想要飛回到預定的狹窄登陸點，而不是果斷放棄的原登陸點，改去尋找當下合適的替代登陸點。
這迫使登月器在離月球地面已經非常近的情況下，做出激烈的姿態調整大動作，在剩下僅約兩公里高度時竟然出現頭下腳上往月面高速俯衝的荒謬姿態，雖然不久就改正姿態，但恢復過慢剩餘的高度過低而且反推火箭力量太小煞不住下衝的慣性，導致登陸器雖姿勢正確但仍以時速兩百多公里直接撞月球而粉碎四散。登陸器設計的著陸觸地容許速度為時速7公里以下，腳架可以支撐吸收衝擊力。
基於上述失敗原因，「月船3號」記取教訓，大力強化控制軟體演算法的能力，考慮了許多發生機率低但影響嚴重的突發狀況，賦予登陸器更寬的參數變異適應能力，以及更智慧的自主判斷權力。「月船2號」雖然登陸失敗，但是其軌道器（orbitor）至今仍環繞月球正常運作，很詳盡量測拍攝南極地區地貌，有此寶貴資料庫，因此後來者即使萬一突發狀況登陸器被迫要臨時選定替代登陸點，也可以迅速做出合適決策。也因此「月船3號」這次沒有攜帶月球軌道器，直接使用「2號」留下的軌道器當作與地球通訊的中繼站。
這騰出不少可用重量額度，分配給更大的推進器與登陸器，主要是增加燃料箱約百分之二十的容量，這不僅對於於探測器（靠推進器推力）進行軌道變換任務彈性大有幫助，也讓登陸器在最後幾公里高度時有更充裕的時間進行空中緩降與懸停。登陸器內部還攜帶一個小型地面漫遊器，重量26公斤沒有變化太多。
印度「月船3號」登陸器的壽命預期只有14天，原因是它只有配備太陽能板產生電力，因此必須要月球的白晝時間運作才能充電，一個月球白晝或夜晚約相當於地球的14天或336小時，一旦進入月球夜晚不僅無法充電且溫度低到零下180度，探測器要靠蓄電池保溫撐過漫長 336小時黑暗的機會幾乎為零，因此在月面上的登陸器與漫遊器預計壽命最多就半個月。而選擇8月23日為預訂著陸日，原因那是該區月球日出的第一時間，印度就是希望能利用到一整個月球白晝日照時間充電進行科學研究。
對照之下，俄羅斯「月球25號」探測器則除了配備太陽板，還配有俗稱「核能電池」的放射性同位素熱源電機（RTG），不僅能在夜間零下180度充分保溫探測器，也能將熱轉換成幾百瓦的電力支援探測器各種儀器的運作。因此俄羅斯探測器在月球預計工作壽命為一年。中國大陸的「玉兔1號」與「玉兔2號」月球漫遊器也都配備有放射性同位素RTG作為保溫熱源，其中玉兔2號當年著陸至今已4年8個月，仍正常運作中，已是月球上工作最久的探測器。
美國前後成功登陸火星的五個漫遊器，其中兩個配備有「核能電池」，已經在火星上運轉行走超過十年依然活力充沛。放射性同位素熱源電機（RTG），簡單形式的可以當作保暖熱源長效貼片，複雜一點的可以當作「核能電池」長效穩定電力來源，兩者都完全沒有轉動移動零件，非常可靠且效期數年到數十年，加上輻射防護簡單有效不厚重，成為星際長期探測必備的裝置。簡易型RTG發熱貼片也可應用在地球極寒遙遠地區無人裝置的保溫。
本文開頭提到印度「月船3號」之所以花費40天才登月的根本原因就是印度自製最大的運載火箭LVM3仍不夠力以及探測器火箭推力較弱，無法把重達3.9公噸的探測器一次就送上月球轉移軌道（TLO），必須以時間換取空間，先到高度較低的地球橢圓軌道，再靠著探測器自身的有限推力，逐次點火執行軌道抬升動作拉成長橢圓，直到變成月球轉移軌道。這繞著地球轉的升軌過程就花費21天才終於脫離地球奔向月球。
LVM3是印度自製的最大型運載火箭，外表龐然大物總重達640噸，但實際不是很夠力。要送去月球轉移軌道，LVM3火箭的最大負載極限是4公噸，這就是為什麼印度探測器總重量限制是3.9公噸，已逼近極限。火箭不夠力的根本原因是，印度的液態火箭引擎技術較落後燃燒壓力不夠高造成推力較弱，無法獨立扛起點火升空的重任，只好靠著外掛兩枚相當粗壯大支的固態燃料火箭來做為起飛加速的主要推力，液態火箭變為輔助。幸好印度在製造大推力固態燃料火箭的技術有相當經驗，可以彌補一下，儘管總體效率較差，至少讓印度具備探索太空的入門基本能力。
而俄羅斯的「月球25號」探測器比印度的輕了約兩噸，只有1.8噸但攜帶有一噸的燃料，且運載火箭聯合號相當有力量，起飛總重量還不到印度LVM3火箭的一半，但一次就能把「月球25號」探測器送上月球轉移軌道（TLO）直奔月球，乾淨俐落完全不需花時間升軌，因此僅需11天就能執行登陸。核心還是俄羅斯的技術了得，各型式的液態燃料火箭引擎幾十年來一向就非常傑出有力且可靠，包括很早就能熟練駕馭技術最困難但最有效率的「全流量分級燃燒循環」火箭引擎。
美國直到2017-18年左右，SpaceX公司才終於開發出效能媲美昔日蘇聯頂級效能的火箭引擎。不過SpaceX並不走美國太空總署過去超大尺寸引擎的老路，反而是仿蘇聯專注在中型尺寸引擎然後整合併聯形成大推力。SpaceX靠著卓越的研發能力與勇於突破的文化，其火箭引擎效能驚人，技術指標已經開始超越蘇聯的頂級火箭引擎，成本也非常有競爭力，進一步強化其在火箭回收重複使用技術的世界絕對領先地位，也顯然促成中國大陸重新省思其新世代運載火箭的設計理念與發展路徑。
印度「月船3號」捲土重來，取消了軌道器並大幅簡化科學儀器酬載，騰出的空間與重量用來攜帶超量燃料以應付各種狀況，顯然印度不顧一切把成功軟著陸列為最高優先目標，有顯著的政治利益，因此寧可犧牲一些科學研究酬載。然而，印度在7月14日剛發射就出現失誤，探測器3.9噸重已接近LVM3運載火箭運力的極限，可能火箭推力稍有不足或者燃料提前耗光，或者高空各節熄火點火的分離控制技術不精湛，因此入軌終端速度稍偏低，以致進入的地球軌道高度不足，處於失敗的邊緣。印度太空研究署為了搶救「月船3號」只好消耗大量探測器本身的燃料，執行額外三次的加速與升軌操作，經過這折騰才終於挽救成功達到預定軌道高度，計畫差點失敗。幸好印度有「先見之明」讓探測器這次額外增加百分之二十的燃料，可以經得起這種額外升軌的額外燃料消耗。
現在終於抵達月球軌道，一樣需要消耗不少燃料來減速降低高度以及執行非常挑戰的軟著陸過程。但「月船3號」究竟還剩下多少燃料? 只有印度太空中心極少數人知到實際數據。印度網紅們極度關注「月船3號」，上個月發射時許多影片敲鑼打鼓大內宣信心滿滿，但對於起飛入軌失誤以及執行額外加速升軌的救援操作，卻絕口不提。筆者猜測是印度太空研究署完全封鎖消息，印度網紅們並不知道這種事，只有中美俄等太空強國透過自身的24小時軌道偵察系統第一時間就掌握印度火箭入軌高度不足這況狀，由中國大陸太空愛好者首先揭露此事件，但限於中文視頻。
至於俄羅斯，過去在蘇聯時代成果輝煌，探測器早已經登月許多次，照理經驗豐富，但是「月球25號」未必能保證成功。原因在於，上次俄羅斯「月球24號」登月任務已經是47年前的蘇聯時代。現在人事早已全非，新世代的俄羅斯工程師和當年登月專家隔了整整兩個世代，除了留下技術資料紀錄，已經沒有面對面的專家老手經驗指導與傳承。現在的工程師等同自己從新摸索建立經驗，這反映在「月球25號」設計建造與測試過程中出現多次失效問題，加上俄烏戰爭遭受嚴重制裁，許多原材料與儀器零組件被斷貨，必須自己設計製造，導致登月時程從2019年不斷延遲至今年。幸好「月球25號」升空後目前為止都順利，已進入環月球軌道，準備於8月21日執行軟著陸，23日則是印度的登陸日。全球太空迷都拭目以待兩國的軟著陸壯舉。
和印度不同，俄羅斯「月球25號」探測器質量較印度的輕了兩噸，登陸器也較小，沒有攜帶月面漫遊器，但是攜帶機械手臂能鑽土深入地下一兩公尺鑽取月球土壤樣本進行現場分析，俄羅斯登陸器攜帶的科學儀器種類比印度多，不是像印度搞面子工程，而是嚴肅在執行科學調查工作，可能為以後建立月球基地做準備。俄羅斯重振星際太空探索，計畫往後每一年要發射一次登月探測器已規劃到「月球26號、27號、28號、29號」
月球軟著陸成功的國家目前只有蘇聯，美國與中國三國。印度以色列日本，依序都曾嘗試軟著陸目前都失敗，歐洲太空署只有執行過撞擊月面，未嘗試過軟著陸。若談到撞擊月球，依時間順序，蘇聯，美國，日本（搭乘美國火箭），歐洲，印度，中國大陸，以色列（搭乘美國火箭），都執行過以探測器撞擊月球表面的任務，然而只有印度因此自稱是世界上第五個「登陸月球」的國家，且排序在中國的前面。對許多印度網紅與民族主義者來說，撞擊登陸也是一種登陸，只要超越中國就可以接受，印度大內宣愛面子硬坳輸人不輸陣的風格，令人印象深刻因為似乎有點熟悉。
日本雖然早於印度15年就撞擊月球，且在深太空軌道飛行控制的「引力彈弓」技術能力遠超過印度，日本也沒有自稱是第三個「登陸月球」的國家。星際軟著陸技術很挑戰，通訊電波明顯延遲因此不可能從地球即時遙控，探測器完全自主的感知與應變決策能力非常關鍵。只有軟著陸才會被同行承認為成功登陸。
這次印度「月船3號」會不會成功軟著陸 ? 筆者估計印度成功可能性大約八成，其中一成的不確定是因為開頭進入地球軌道就過低，探測器被迫消耗額外燃料來升軌補救，不知是否有足夠的剩餘燃料進行月球軌道剎車以及軟著陸。另一成的不確定則是控制軟體雖然功能更完備更有彈性，但也變得更龐大複雜，增加許多不確定性，且印度常常規劃說得漂亮雄偉，執行起來卻七折八扣不穩定。俄羅斯「月球25號」成功率筆者估計有九成，一成的不確定是因為對俄羅斯工程師而言這等於幾乎全新的嘗試，蘇聯時期輝煌登月成就已遠去，隔了兩個世代，過去經驗沒能完全傳承。
無稐如何，都是令人期待的探索壯舉，筆者祝福兩國都順利軟著陸月球南極地區成功。
＊作者為科技工程師
