重返月球，新興企業(yè)唱主角

□ 展鵬飛

重返月球，新興企業(yè)唱主角

□ 展鵬飛

▲ MX-5甚至可以支持采樣返回任務(wù)，讓一個(gè)著陸單元重新起飛

在蹉跎了幾十年之后，美國(guó)宇航局（NASA）終于決定邁出重要一步，正式啟動(dòng)重返月球的工作。與小布什政府的“星座”計(jì)劃慘遭取消相比，這次NASA重返月球的計(jì)劃沒有引起太多反對(duì)聲浪。這或許是因?yàn)樘乩势毡容^強(qiáng)勢(shì)，重新組建的國(guó)家航天委員會(huì)發(fā)揮了正面作用。另一方面也可能是因?yàn)榻畮啄陙淼难芯亢吞剿髯屓藗冋J(rèn)識(shí)到，月球基地是進(jìn)一步深空探索的必要條件，想跳過月球直接前往火星或者小行星，會(huì)面臨難以克服的困難。

“月球軟著陸貨物運(yùn)輸和著陸”計(jì)劃

其實(shí)在特朗普政府上臺(tái)前，NASA也沒有完全放棄重返月球的努力。早在2015年10月，NASA啟動(dòng)了一個(gè)叫做“月球軟著陸貨物運(yùn)輸和著陸”的計(jì)劃，鼓勵(lì)商業(yè)公司開發(fā)一種向月球運(yùn)送貨物的工具。至于貨物的內(nèi)容，可以是儀器、設(shè)備、建設(shè)物資、燃料，也可以是用來維持未來月球基地航天員生活的食物、水，等等。這個(gè)計(jì)劃的特點(diǎn)是，NASA不投入任何研發(fā)資金，但是可以提供有關(guān)的技術(shù)資料。待商業(yè)企業(yè)把運(yùn)輸工具研制出來，NASA再出資采購。也就是說，要把現(xiàn)在國(guó)際空間站的商業(yè)貨運(yùn)服務(wù)采購模式移植到月球上。

2017年9月，NASA發(fā)布了一份信息征集書，希望業(yè)界提供“小型載荷運(yùn)輸工具，最早能在2017～2020年間進(jìn)行首次飛行，把貨物送上月球”。這個(gè)項(xiàng)目是由NASA的先進(jìn)探索系統(tǒng)部門發(fā)起，目的在于填補(bǔ)載人或機(jī)器人探月和純粹月球科學(xué)研究之間的空白。

不過項(xiàng)目負(fù)責(zé)人也指出：“NASA不打算限定這種運(yùn)載器的質(zhì)量、尺寸和價(jià)格，目的是征集各種適合于用美國(guó)商業(yè)航天服務(wù)運(yùn)送到月球的有效載荷。”

或許是受到國(guó)際空間站商業(yè)模式的鼓舞，有4家商業(yè)企業(yè)積極參與了這項(xiàng)工作。有意思的是，其中3家是創(chuàng)業(yè)型的小公司，分別是月球快車公司、宇宙機(jī)器人公司和馬斯騰公司。

由電商大亨畢索斯創(chuàng)建的藍(lán)色起源公司算是4家企業(yè)中最大的一家。藍(lán)色起源公司并沒有公布詳細(xì)的月球運(yùn)輸載具技術(shù)參數(shù)。目前已經(jīng)知道的是，這是一種相當(dāng)大型的航天器，最多可以把7噸物資送上月球，但目前還沒有得到NASA的認(rèn)可。

▲ 月球快車公司的MX系列登陸器采用4條支腿降落的方案，底部裝有一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)

▲ 月球快車公司的MX-2登陸器飛往月球

▲ MX-1和MX-5都可以攜帶小型月球車，擴(kuò)大考察范圍

月球快車公司的“三步走”策略

月球快車公司研制的是兩種型號(hào)，打算采取三步走的策略。先后研制和發(fā)射MX-1E、MX-2、MX-3登陸器，一個(gè)比一個(gè)更大。目前MX-1E已經(jīng)入闈。

MX-1E采用4條支腿降落的方案，底部裝有一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。它的尺寸和質(zhì)量都比較小，裝滿燃料和載荷的質(zhì)量只有250千克，最大載荷能力也只有30千克。它的任務(wù)，主要是驗(yàn)證地月飛行的技術(shù)，同時(shí)攜帶科學(xué)儀器開展月球資源勘測(cè)。它的最大輸出功率只有200瓦，顯然很難承擔(dān)鉆探和運(yùn)輸任務(wù)。正因?yàn)樾。琈X-1E的發(fā)射費(fèi)用很低。目前，月球快車公司打算把它送到新西蘭去，用“電子”小型火箭發(fā)射。

一旦MX-1E取得成功，月球快車公司就要研制MX-2，其實(shí)就是把兩個(gè)MX-1E疊在一起。MX-2的最大質(zhì)量達(dá)到了500千克，但載荷能力還是只有30千克，多出來的250千克用于提供更強(qiáng)的飛行能力。MX-1E的速度增量只有5.8千米每秒，而MX-2可以達(dá)到7.4千米每秒。因此MX-2可以飛往更深遠(yuǎn)的宇宙空間。

第三步，要研制一種叫MX-5的飛行器。這里的5并不是序號(hào)，而是真的用5臺(tái)MX-1E并列拼合在一起，形成一個(gè)比較大的平臺(tái)。相應(yīng)地，MX-5的最大質(zhì)量增加到了1300千克，載荷能力也上升到了150千克，都是乘以5的關(guān)系。

宇宙機(jī)器人公司的“游隼”

宇宙機(jī)器人公司推出的著陸器代號(hào)“游隼”，理念是“全程托管”。著陸器本身只是一個(gè)飛行和著陸平臺(tái)，沒有科學(xué)探測(cè)功能。所有有效載荷空間都提供給科學(xué)機(jī)構(gòu)，搭載這些機(jī)構(gòu)提供的科學(xué)儀器。發(fā)射前，公司會(huì)為每個(gè)客戶建立一個(gè)“有效載荷照看計(jì)劃”，由相關(guān)工程師提供有關(guān)信息、交換數(shù)據(jù)，保證有效載荷與平臺(tái)的兼容性。

“游隼”看上去和阿波羅登月艙的理念很接近，用4個(gè)支腿支撐著本體結(jié)構(gòu)，5個(gè)反推發(fā)動(dòng)機(jī)裝在底面。在底面的一側(cè)，密集安裝著敏感器盒。其中一個(gè)敏感器盒里裝有太陽敏感器、星敏感器、速率陀螺，用來在飛行過程中確保太陽電池指向太陽。在它下面的平板上，是8個(gè)無線電高度計(jì)盒，用來控制著陸的速度和方向。著陸的時(shí)候，“游隼”先是飛行在距離月球表面15千米高的軌道，然后開啟發(fā)動(dòng)機(jī)向下降落，經(jīng)過600秒的飛行，最終實(shí)現(xiàn)軟著陸，期間的最大降落速度不超過2.5米每秒。

第一次任務(wù)期間，降落后，“游隼”先展開系統(tǒng)自檢，從飛行模式切換到月面操作模式，建立與地面的通信聯(lián)系。然后排空剩余燃料，以免發(fā)生意外。這些工作完成后，實(shí)施有效載荷自檢。平臺(tái)要向有效載荷供電，檢查它們的通信情況和軟件運(yùn)行，有些軟件需要及時(shí)更新。自檢通過后，就要進(jìn)入運(yùn)行階段了，平臺(tái)向有效載荷提供電力和通信服務(wù)，供地球上的客戶獲得數(shù)據(jù)。這個(gè)周期會(huì)持續(xù)8天，當(dāng)月夜來臨，“游隼”就停止工作了。

但是因?yàn)椴惠d人，“游隼”沒有厚厚的密封艙壁，燃料罐直接暴露在外面。為了長(zhǎng)期執(zhí)行任務(wù)，“游隼”頂部還有一塊太陽電池。用來承載有效載荷的鋁制平面被分成四個(gè)部分，有效載荷可以放在平面上工作，也可以用釋放機(jī)構(gòu)部署到月面上。

平臺(tái)所針對(duì)的客戶也沒有什么限制，企業(yè)、政府、大學(xué)、非盈利機(jī)構(gòu)都可以提交自己的有效載荷，哪怕是個(gè)人都可以，只要付得起每千克12萬美元的票價(jià)就行。不過如果打算搭載月球車，那么費(fèi)用要高不少，達(dá)到每千克20萬美元。

除了飛行費(fèi)用，有效載荷的供電和通信帶寬也是按照單位質(zhì)量來計(jì)算的。大約每千克提供0.5瓦的電力和2.8千比特每秒的通信帶寬。如果用戶需要更多電力和帶寬，就要加錢，每個(gè)瓦特需要多加22.5萬美元，每千比特每秒帶寬需要多加3萬美元。聽起來有點(diǎn)貴，不過考慮到這是月球價(jià)格，也是合理的。

無論電力還是通信，都是用一個(gè)插頭來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然這不是常見的USB插頭，“游隼”的有效載荷和平臺(tái)要用一種看上去很像花灑的插頭來連接，上面有37根插針，包括電力、電力控制和數(shù)據(jù)三大類，還有一些插針是預(yù)留的。“游隼”內(nèi)部還有一個(gè)采用Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)，一些無法接線的有效載荷——例如月球車——可以采用無線接入，然后通過“游隼”上的大天線和地面聯(lián)通。這樣，月球車就不需要攜帶大功率的地月通信設(shè)備，可以設(shè)計(jì)得又輕又小。

至于說花了這么多錢可以得到什么“有效載荷照看”，這家公司提供了以下服務(wù)：總體和技術(shù)咨詢、每季度一次的業(yè)務(wù)和任務(wù)信息更新、每月一次的技術(shù)交流、開放設(shè)計(jì)參考文件和資料庫、提供有效載荷設(shè)計(jì)評(píng)審和反饋、開放平臺(tái)兼容性試驗(yàn)服務(wù)設(shè)施。從步驟上來說，一旦用戶和宇宙機(jī)器人公司簽署合同，就可以得到接口控制文件；公司派出工程技術(shù)人員參與有效載荷設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，確保兼容性。設(shè)計(jì)和研制完成后，用快遞送到宇宙機(jī)器人公司，集成到“游隼”上。一旦“游隼”成功著陸，公司負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)有效載荷和用戶地面設(shè)施之間的通信聯(lián)系。

“游隼”前三次任務(wù)先發(fā)射到近地軌道上，然后再向月球轉(zhuǎn)移。因此需要攜帶足夠多燃料用于地月間飛行，不可能攜帶很多載荷，因此其中第一次發(fā)射只搭載35千克載荷，后兩次逐步擴(kuò)大到175千克和265千克。這三次打算采用搭載發(fā)射的方式，無論獵鷹9號(hào)還是宇宙神-5、德爾它-4都可以考慮。

第一次任務(wù)的著陸場(chǎng)將選在月球上的“拉克斯號(hào)角”地區(qū)，在月面執(zhí)行大約8天的任務(wù)。

從第四次任務(wù)開始，“游隼”將作為火箭的主要載荷發(fā)射到地月轉(zhuǎn)移軌道上，有效載荷將增加到570千克。目前宇宙機(jī)器人公司總共規(guī)劃了5次任務(wù)（含近地軌道的3次），平均間隔兩年。

“游隼”的一些關(guān)鍵部件和軟件由外協(xié)提供，例如雷達(dá)高度計(jì)由霍尼韋爾公司提供、燃料儲(chǔ)箱由軌道科學(xué)ATK公司提供，軟件由達(dá)索公司、AGI公司等提供。

▲ “游隼”在月球表面著陸示意圖

馬斯騰公司的現(xiàn)實(shí)與夢(mèng)想

在3家公司里，馬斯騰公司的進(jìn)度是最快的。他們已經(jīng)在加利福尼亞州的莫哈維沙漠試驗(yàn)場(chǎng)里對(duì)月球垂直起降技術(shù)展開飛行試驗(yàn)了。如果技術(shù)成熟，就會(huì)正式研制提供給NASA的XL-1月球著陸器。

XL-1同樣是一種四條腿的著陸器，起飛質(zhì)量2400千克，可以把100千克的物資送上月球。雖然總體上說只能算一種小型著陸器，但還是要用獵鷹-9、宇宙神-5或者德爾它-4這樣的大型火箭來發(fā)射，而且只能單程奔月，不能重復(fù)使用。XL-1的主要任務(wù)，是測(cè)試一些新的技術(shù)，包括新的自燃式燃料技術(shù)，研究相關(guān)的壓力、熱量和疲勞問題，設(shè)計(jì)和測(cè)試飛行軟件，開發(fā)相關(guān)的電子設(shè)備，開發(fā)和測(cè)試所謂的“災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，等等。

為了完成上述目的，馬斯騰公司打算先制造一個(gè)小型的樣機(jī)，叫做XL-1T。XL-1T的質(zhì)量只有1300千克，它的結(jié)構(gòu)和XL-1基本上相同，但是不能飛往月球，只能用于地面試驗(yàn)。XL-1T裝了4個(gè)4400牛頓的發(fā)動(dòng)機(jī)用于機(jī)動(dòng)飛行和著陸，還裝有4個(gè)22牛頓推力器用于姿態(tài)控制。

XL-1和XL-1T都要使用馬斯騰公司開發(fā)的一種新燃料，叫做MXP-351。據(jù)說這種推進(jìn)劑無毒，可以長(zhǎng)期在常溫常壓下儲(chǔ)存。但是這家公司至今也沒有公布具體成分。

這家公司設(shè)想的另一種著陸器就要大得多，叫做Xeus。如果是單程地月飛行，Xeus可以運(yùn)送大約10噸之多的物資。如果打算地月往返飛行、反復(fù)使用，就要攜帶不少用于回程的燃料，所以送上月球的物資就要減少到5噸。要運(yùn)送這么多東西，XL-1那幾個(gè)小發(fā)動(dòng)機(jī)就不敷使用了。因此，Xeus使用的是兩臺(tái)宇宙神-5火箭的"半人馬座"上面級(jí)搭配RL-10發(fā)動(dòng)機(jī)。宇宙神-5火箭的制造商聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（ULA）對(duì)月球快車公司的研制工作給予了支持，提供了兩臺(tái)“半人馬座”。其中一臺(tái)已經(jīng)損壞，只能用來進(jìn)行裝配試驗(yàn)，另一臺(tái)用來進(jìn)行試驗(yàn)。

根據(jù)設(shè)計(jì)RL-10發(fā)動(dòng)機(jī)用于月球軟著陸時(shí)可以提供16千牛的推力，2014年月球快車公司入選CATALYST項(xiàng)目后，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司加強(qiáng)了對(duì)這個(gè)項(xiàng)目的支持。2015年12月，ULA公司主動(dòng)提出，為XEUS提供新的、研制中的先進(jìn)低溫?cái)U(kuò)展級(jí)（ACES），替代原先的“人馬座”，大幅度提高了運(yùn)輸能力。為此，月球快車公司完全重新設(shè)計(jì)了XEUS。在新的方案中，XEUS將裝有4臺(tái)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，用四個(gè)支腿橫臥著降落到月球上。降落后，這4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)距離月面大約3米高。這就給重新起飛離開月球提供了比較好的條件。新設(shè)計(jì)的XEUS可以在拉格朗日點(diǎn)補(bǔ)給站和月面之間往返運(yùn)輸貨物，單次運(yùn)輸能力達(dá)到25噸之多。只要能在月球上發(fā)現(xiàn)并且開采水冰資源，XEUS本身所需要的液氫液氧燃料可以在月球上補(bǔ)充，不需要從地球送去。因此，它可以長(zhǎng)期擔(dān)任月球表面和月球軌道之間的擺渡車。

月球快車公司不但自籌資金搞研發(fā)，還出資鼓勵(lì)其他科研機(jī)構(gòu)研制搭載設(shè)備。該公司宣布，可以為三個(gè)設(shè)備提供各50萬美元的資金支持，條件是這三個(gè)設(shè)備都是經(jīng)過NASA批準(zhǔn)、可以運(yùn)送到月球上的。有關(guān)負(fù)責(zé)人說，這樣的支持是為了加強(qiáng)公司與NASA、有效載荷之間的聯(lián)系。所以，我們不妨把這看作一種“消費(fèi)返現(xiàn)”的促銷。

除了上面三家公司，連鎖旅館大亨比格羅也打算摻乎一下。他不但打算搞登月艙，還打算把充氣式空間站送到環(huán)月飛行的軌道上，以此作為登月活動(dòng)的支援基地。根據(jù)比格羅的計(jì)劃，這個(gè)支援基地在2022年就會(huì)到位，比NASA正在推動(dòng)的深空關(guān)口站進(jìn)度還快。到時(shí)候，NASA會(huì)不會(huì)坐享其成，直接向他訂房間，也是很難說的。

登月只是開始

登上月球只是一個(gè)開始，開采月球資源才是正餐。前文說到，NASA要在月球上開發(fā)水資源，那么就離不開鉆探工作。因此，NASA早就啟動(dòng)了月球“資源勘探器”項(xiàng)目。它的主要任務(wù)，是在月球極區(qū)開展勘探工作，首要的目標(biāo)當(dāng)然是氫、氧和水資源。有關(guān)的技術(shù)最終要用于火星，解決人類在火星上長(zhǎng)期生存的問題。月球“資源勘測(cè)器”將在2020年后的某個(gè)時(shí)候發(fā)射，經(jīng)過三天飛行后到達(dá)月球，然后放出一輛帶有鉆探和勘探設(shè)備的月球車。它在月球的著陸地點(diǎn)也不是無的放矢，而是根據(jù)此前環(huán)月飛行器的勘探成果而精確選定的。勘探月球車會(huì)首先用設(shè)備探測(cè)淺地表下的水、氫元素或其他資源。如果發(fā)現(xiàn)資源富集的地點(diǎn)，就用鉆頭打出一個(gè)大約1米深的探洞，把土壤和演示樣品取進(jìn)車內(nèi)，用器皿加熱，確定各類化合物的品種和含量，尤其是水。

責(zé)任編輯：夏丹