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科学好故事｜向月球前进的下一代机器人探测器

来源：airspacemag

撰文：Joe Pappalardo

翻译：叶子

图为艺术家绘制的Nova-C登月飞行器在月球表面的概念图。不过这台重2240磅的航天器要到明年才会搭乘SpaceX公司的猎鹰9号火箭发射升空。

上世纪60年代，登月竞赛还不喾于一场战争；现如今，却已然变成了一门生意。

黎明时分，几辆车从直觉机器公司的机棚大门中缓缓驶出，顺利汇入车流中，向休斯顿郊外的艾灵顿航天基地开去。直觉机器公司将在这里测试一台月球登陆器的引擎。

在这支由皮卡和拖车组成的小小车队中，最关键的部分是一辆装载着几台火箭引擎的平板车。直觉机器公司的员工将这辆平板车叫做“可移动测试台”。该公司CEO史蒂夫·阿尔特姆斯表示：“我们没有选择在某个偏远的地方花50万美元建造测试设施，相反，我们仅花1.6万美元买了一辆卡车、然后进行了改装。”

只见这支车队穿过大门，在安检口暂停了一下，然后继续朝一条废弃的飞机滑行道驶去。沥青路面上用黄色画了个大大的“X”字，意味着这条跑道已经弃置不用了。驾驶卡车的员工将测试台停在了距“指挥拖车”100米处，然后熟练地展开操作、准备点火。

在现场的其他人看来，这些拖车和平板车看上去平平无奇。但对直觉机器公司的员工而言，它们其实就是一台名叫Nova-C的登月飞行器。主发动机的喷嘴从平板车后方伸出，旁边放置着一个用于测试反应控制推进器的真空舱。防爆墙后面放有各自独立的甲烷、氧气和氮气罐。控制拖车上载有该飞行器的第一套飞行控制系统。这套东西或许与我们对太空飞行器的理解大相径庭，但其上搭载的部分硬件和软件或将使其成为自上世纪70年代以来、首个实现月球软着陆的美国飞行器。

在NASA的重返月球计划中，一支机器人小队将率先登陆月球。该机构希望借私人企业之力实现这些雄伟的目标。目前已有十几家规模不等的公司开始了新一代机器人登月飞行器的打造。

图为2021年8月，直觉机器公司CEO史蒂夫·阿尔特姆斯（中）带领NASA访客参观位于休斯顿的公司总部。

2019年5月，NASA将任务派给了其中的三家公司：位于匹兹堡的Astrobotic Technology公司；位于新泽西的OrbitBeyond公司；以及直觉机器公司。（OrbitBeyond两个月后由于财务原因退出了此次任务）。其中，Astrobotic Technology公司计划明年将11份载荷送上月球，目标登陆地点为月球正面一个名为“死湖”的大型撞击坑。直觉机器公司明年也将向月球送去一些载荷，其中六份计划送往“风暴洋”。等到2023年末，Astrobotic Technology公司还会向月球南极再送去一批载荷。同年，第三家供应商Firefly Aerospace将在“月球非极地区域”开展实验。第四家供应商Masten Space Systems也计划向月球南极运送8台载荷。

从合作方的数量可以看出NASA的最新商业重点落在何处。NASA没有将飞行器委托给其它公司按照规范制造，而是要求业界提供已准备好执行任务的硬件设备，客户付款后即可使用。货运行业和国际空间站定期接送宇航员采用的就是这种方法（不过后一种情况常有延误）。

“为了NASA，我们一定要成功。”阿尔特姆斯表示，“万一我们失败，他们就不愿继续承担这类风险了。”

此外，还有其它公司（包括资金实力雄厚的蓝色起源公司和太空探索公司）也计划参与这场激烈竞争。今年八月，蓝色起源公司发起了一场诉讼，指控NASA在选择太空探索公司制造载人登月飞行器的过程中，“评标过程不合法且不正当”。

这些都给直觉机器公司的项目团队带来了很大的压力。2020年1月，中标仅过去八个月后，该公司的测试便开始了。工程师花了好几个小时做准备。他们先是将电源和数据线接好，设置好三脚架上的高分辨率摄影机，进行了多次阀门测试，最后穿上防护服、戴上头盔，开始灌注液氧。

无论从哪个角度来看，这家仅有130人的初创公司都面临着巨大的压力。可为什么这里人人都笑容满面呢？项目经理格雷格·瓦多斯解释道：“因为我们做事的速度比NASA快得多，我们很乐于看到这一点。”

图为直觉机器公司用一辆平板车改造的测试台。引擎设计师莫尔海德（右）正在做Nova-C登陆器引擎点火测试前的最后调整。

另一轮循环

阿波罗计划结束后，月球似乎就被人遗忘了。虽然有过许多关于建立月球市场的讨论，甚至还有奖金高达千万美元的Google月球X大奖，但自1976年以来，只有中国成功实现了登月。

如今对美国而言，重启探月行动的迫切性已经达到了国家层面。2018年3月，NASA启动了“商业月球载荷服务（CLPS）”计划，准备先将一支由小型机器人登月飞行器和月球车组成的队伍送上月球，后续再进一步开展载人登月任务。

这将为野心勃勃的阿尔忒弥斯任务做好必要的准备。NASA计划与商业伙伴和其它国际合作方一起实现人类在月球的长期居留，最终以此作为火星远征任务的跳板。但要想实现这些，登月飞行器首先要将22磅载荷送上月球表面。

NASA宣布了自己的计划后，直觉机器公司率先举手，成为了众多参与登月任务的初创公司的中流砥柱。从某种意义上来说，这家公司就像NASA约翰逊航天中心“难民”们的专属避难所。阿尔特姆斯就曾担任过NASA约翰逊航天中心的工程总监。在任期间，NASA开展了多次往返飞行任务。但在NASA的生活令他感到苦不堪言。“我们想创造一种紧迫感，”阿尔特姆斯回忆道，“我们在NASA完成了航天飞机的退伍，完成了国际空间站的组装，后来又终止了星座计划。所有这些似乎都是为了能力建设，根本没有目的地。于是我们决定跳槽了。”

直觉机器公司的初衷是成为一家商业公司兼智库机构，为航空、能源和医疗行业提供工程解决方案。但成立之后，该公司的主要业务一直是无人机，而不是登月飞行器。直到2018年，美国修改了月球相关政策，重新将月球作为“任务重点，强调了其紧迫性”。这家小小的公司成功击败了其它竞争者，参与了首期CLPS任务。在此之后，该公司员工人数迅速翻番，如今在职者既有NASA的“退伍老兵”，又有刚刚毕业的年轻工程师。

例如，现年25岁的马里奥·马吉奥从科罗拉多大学博尔德分校拿到航空航天工程硕士学位后，一心想去休斯顿求职，如今他任职的团队正在为NASA研发登月飞行器。他指出：“在目前尚未退休的人中，有过登月经验的人可谓寥寥无几。”

直觉机器公司之前曾想与波音公司联手、为NASA打造载人级登月飞行器。但波音在人类登陆系统的竞标中输给了其它竞争者。不过，考虑到直觉机器公司一直在为阿尔忒弥斯计划进行硬件研发，该公司员工相信他们还有机会。例如，他们的3D打印VR3500着陆引擎在马歇尔太空飞行中心的115号测试场创下了连续测试时间的最长记录。因此直觉机器公司或许还可以与某家人类登录系统的中标公司合作，参与其它登月飞行器项目。

直觉机器公司既有政府资金的支持，又有巨大的商业潜力。但如果无法成功登月，这些都毫无意义。

图为SpaceIL的设计师正在欣赏重约1290磅的“创世纪号”登月飞行器。遗憾的是，该飞行器在2019年4月11日失去信号后坠毁。

月壤上的心碎时刻

2019年4月，以色列民营组织SpaceIL发射的“创世纪号”登月探测器在登陆的最后十分钟功败垂成，以一种戏剧化的方式提醒了航空界，登月是一件多么困难的任务。

“创世纪号”在准备登陆时，首先利用自动化系统完成主推进器点火、让速度慢下来。“飞行器的轨道速度约为每秒1700米，要想实现软着陆，必须将速度减少至零。”

SpaceIL高级系统工程师约阿夫·兰兹曼回忆道。

根据轨道物理学，速度下降的同时，高度也会下降，相当于在垂直速度不断加速的情况下向表面坠落。在登陆月球时，引力是最大的敌人，缺少大气层倒不是主要的影响因素。如果在没有大气层的小行星上登陆，与其说是降落，其实更类似与国际空间站对接。但月球则不然，因为月球的质量比小行星大得多，引力也强得多。

SpaceIL团队向飞行器上传了旋转指令，让主引擎对准轨道速度的相反方向，然后命令引擎点火。轨道速度随后开始下降，15分钟后减少至零。接下来再旋转一次，飞行器便可转为着陆方向，开始垂直下降，同时利用主引擎降低速度、直至接近停滞。

然而19点22分时，遥感指示灯突然亮起了红灯，登陆器开始以接近每秒75米的速度坠落。接着指示灯暗了下来，说明发生了故障。

SpaceIL团队急忙尝试重启系统。但在这种情况下，“由于长距离通讯延时，成功采取干预的希望非常渺茫，首先收到故障提示，然后做出决定，再发送指令。如果故障导致引擎断线，就无法通过地球发送指令及时重启了。

事实上，“创世纪号”的引擎的确重启了，但为时已晚。其垂直速度已经达到了每秒134米，水平速度为每秒947米。在距离月球表面仅1.6公里处，“创世纪号”的失败结局已经注定。19点23分，棺材的盖子彻底落下，信号就此消失。

兰兹曼表示，这是我们在深空工程领域学到的重要一课。“此次事件说明，飞行器的自动化过程必须足够稳定可靠，还要有恰当的冗余和备用管理计划。”但除此之外，他或许还学到了另外一件事：在日渐兴起的登月行业中，他的专业技能或可大展身手。

“全球有过探月任务经验的人并不多。为帮助人类实现下一个巨重大飞跃，我觉得自己肩负着巨大的责任。目前我正在开展第一步，成立自己的商业公司，希望以此降低登月的成本和难度。”

图为Nova-C登陆器引擎于2021年3月开展的第45次点火测试。使用液态甲烷驱动登月飞行器引擎将成为直觉机器公司的众多成就之一。

建造、飞行和演进

直觉机器公司的主引擎与反应控制系统（RCS）引擎设计师罗布·莫尔海德坐在指挥拖车里，全神贯注地盯着面前电脑屏幕上的系统示意图。今天的测试将以一套新研制的双重点火系统为重点。

这些都是自动化深空引擎，按照预先从地球上传的指令采取行动。飞行控制中心计算机是引擎的终极“操作员”。只见一股蓝绿色的火焰从推进器0.38英寸直径的喷嘴中喷出，将液氧管线中喷出的大量微小冰晶撞进真空舱中。由于此次只是点火测验，不需要复制太空环境，因此真空舱处于开放状态。

火焰带绿色说明有金属在燃烧。甲烷与液氧混合燃烧的火焰通常是明亮的蓝色。但在下一次测试中，火焰颜色变蓝了一些；再下一次，蓝色变得更深了。几次测试几乎毫无差别，但莫尔海德和他的团队每次都会做出一些调整，试图找出让登陆器安全着陆的最佳压力、温度与燃料-氧化剂配比。推进器点火时的速度与推力对反应控制系统至关重要，因为该系统必须有及时响应能力，才能对航天器进行精准控制。

甲烷的使用是个创新。等到Nova-C发射时，它将成为首个引擎由液氧和液态甲烷驱动的登月飞行器。目前的探测器使用的是甲肼等自燃燃料，一旦与四氧化二氮结合，便会立即点火，但毒性很强。虽然这不是莫尔海德改用甲烷的主要原因，但甲烷的一大优势是可以在火星上合成。

这类引擎从未进入过太空，因此研究团队要抓住这一机会，证明它们并不存在什么风险。Nova-C的主引擎负责减速，反应控制系统引擎则负责转向。两者都必须精准运作，才能在着陆过程中将自动系统的指令即刻转化为动作。

“我们瞄准的地点的着陆成功率有99%，”阿尔特姆斯指出，“等着陆点确定后，我们还会对该区域进行筛查，避开可能妨碍安全着陆的卵石和岩石。”

另一台参与2022 年CLPS项目的登月飞行器由Astrobotic打造，名叫“Peregrine”。它将使用一套可视化系统进行导航，同时在下降过程中还会向地面发射激光脉冲，通过脉冲的反射情况测量下落速度、避开风险因素。该公司早在2014年便已和NASA签订了研发该系统的合同，并在加州莫哈韦沙漠中进行了测试。

Nova-C在着陆时仅使用视觉图像处理技术，因此存在一定局限性。就像光学轰炸瞄准具在缺少地表标志的水面上不起作用一样，黑暗的月球表面也令探测器难以判断确切位置。“要想在月球上着陆，必须达到一定光照条件。”阿尔特姆斯指出，“我们已经把登月条件放宽到了任何地点、任何时间。但这会给我们招来大麻烦。”

在约翰逊中心工作过的员工表示，在NASA，“够好了”就相当于“不可接受”。而在直觉机器公司则不然，这里遵循的是一种“新太空思潮”，即“先建好，飞起来，再逐渐演进”。

“在NASA时，我们开始招标之前，会把能想象到的每一条要求都写下来，确保供应商投标的结果越接近越好。”阿尔特姆斯指出，“但我们为何要把自己的要求全都写进去，几乎不给供应商任何灵活度呢？而在直觉机器公司，我们完全可以打造一台不算完美的登月飞行器，只要能成功登陆月球就行。等它登陆之后，我们再不断改进它。”

虽然直觉机器公司计划先将Nova-C送往月球，但Nova-D已经在研发之中了，能够向月球带去1100磅重的载荷。

在NASA老员工们享受着这里自由氛围的同时，年轻的员工则在期盼着光明的未来。许多人都认为，自己这一代人将亲眼见证人类对太阳系进行探索和利用。

“月球将帮助我们走向更远处，”现年22岁的机械工程师威廉·安特曼恩指出，“这将为我们开启一个全新的领域。”

登月飞行器的排位

要想在“月球市场”上占有一席之地，就要领先于其它竞争者。这些竞争者中，很多都与NASA签订了合同。加入CLPS计划的公司最早有九家，2020年又有另外五家加入其中。

参与者们都希望NASA能提出不同尺寸的载荷需求，好为自己争取到一次飞行的机会。其中，Astrobotic公司将负责在2023年末把NASA的“挥发物调查极地探测漫游车”（VIPER）送到月球南极，寻找水冰的存在。

作为最早加入CLPS项目的中标方之一，这项价值1.995亿美元的任务对Astrobotic公司而言无疑是一大胜利。该公司成立至今已有14年，相比之下，直觉机器公司2018年才刚刚诞生。其研发的“Peregrine”月球登陆器计划借联合发射联盟的火神运载火箭发射升空。但由于蓝色起源公司供应的BE-4引擎交付延期，该登陆器可能需要另择一家发射服务供应商。

直觉机器公司的IM-2任务计划于2022年12月向月球南极发送第一台登陆器。该公司的Nova-C登陆器将向月球送去史上第一台月冰钻探机，名为“极地资源冰开采实验1号”，以及一台用于验证月球上可使用4G通讯服务的漫游车。今年7月，直觉机器公司与亚利桑那州立大学联手拿下了另一份价值4160万美元的NASA合同，将在IM-2任务期间从Nova-C上部署一台“迷你登陆器”，用于考察月球上的深撞击坑，其光学成像系统采集的数据将为未来的月冰开采设备提供很大帮助。

若私企、大学和研究机构都能将资源集中起来，月球便将“唾手可得”。这或许能帮助直觉机器公司的NASA老员工们避免重蹈覆辙，因为NASA的拨款优先级总是一变再变，令大家不知做何才好。而借助私人企业开展月球任务就可以很好地规避这一问题。直觉机器公司目前就是这么做的。该公司今年八月宣布，将在开展第二项NASA赞助的任务IM-2时，将部分空间租赁出去。有四名“客户”将搭载IM-2的猎鹰9号火箭同时升空。

不仅如此，直觉机器公司还计划进军月球通讯领域。Nova-C登月飞行器将向月球轨道发射一颗由York Space Systems公司系统打造的卫星，其提供的带宽可供教学机构或私企客户使用。

但这一切实现的前提是，液氧/液态甲烷引擎必须达到完美状态。事实上，自2020年1月的那次测试以来，直觉机器公司便一直在为这一目标努力。测试当天出了不少问题，主引擎始终无法点火。员工们纷纷围在机器旁，忙着更换阀门、清理管线。最后发现，问题似乎出在氧气上。此次使用的氧气中所含水汽过多，结成的冰晶堵塞了阀门。于是大家决定第二天开始寻找新的氧气供应商。

反应控制系统的测试则要顺利得多，引擎成功点火了几十次。每一次短暂的点火都提供了引擎的性能数据，被添加到该团队的登陆模拟数据库中。然而在天黑之前，测试场气温骤降，连帐篷都被呼啸的狂风扯破了。

这就是使用可移动测试台的弊端，好在这种情况已有所改善。2021年10月，直觉机器公司正在打造一座“地堡”，引擎点火测试可以在其内部完成，这样就不用“拖家带口”地奔赴之前那条废弃的飞机跑道了。

2020年1月的那次测试临近尾声时，一轮圆月从地平线上缓缓升起，在暮色四临的夜空中散发出明亮的光辉。员工们的目光不禁闪烁了几下。如果说他们需要激励的话，最好的激励莫过于此时高悬在他们头顶上方的那轮明月。