“廣寒宮”廣迎來客 多國開啟探月大年

林麟

2024年無疑是人類的“探月大年”，日本、美國、中國都會在今年執(zhí)行月球探測器的發(fā)射和著陸任務。由日本宇宙航空研究開發(fā)機構研制的智能月球著陸器已于2024年1月20日凌晨落月，成為今年首個著陸月球的探測器。自1972年阿波羅17號飛船返回地球后，時隔52年，美國也再次發(fā)起了登月沖擊：2月22日，奧德修斯號月球著陸器成功著陸月球表面。3月20日，我國的鵲橋二號中繼星已成功發(fā)射，5月3日又成功發(fā)射了嫦娥六號探測器，開始執(zhí)行探月工程四期任務……下面讓我們來了解一下今年中國、美國和日本已經(jīng)實施和即將實施的探月任務。

中國探月工程四期已全面啟動

2022年4月24日，在嫦娥五號探測器順利完成月球采樣返回任務、中國探月工程三期圓滿收官后，探月工程四期已全面啟動，中國航天事業(yè)全面開啟星際探測的新征程。中國航天將堅持面向世界航天發(fā)展前沿、面向國家航天重大戰(zhàn)略需求，陸續(xù)發(fā)射嫦娥六號、嫦娥七號、嫦娥八號探測器，開展任務關鍵技術攻關和國際月球科研站建設。

鵲橋二號中繼星已于2024年3月20日在文昌航天發(fā)射場由長征八號遙三運載火箭順利發(fā)射。火箭飛行24分鐘后，星箭分離，鵲橋二號中繼星進入預定地月轉移軌道。中繼星太陽翼和中繼通信天線相繼正常展開，發(fā)射任務取得圓滿成功。鵲橋二號將架設地月新“鵲橋”，建立對地中繼通信鏈路，實現(xiàn)月面探測器和地面站之間的通信，為嫦娥四號、嫦娥六號及后續(xù)任務提供中繼通信支持。

嫦娥六號探測器于2024年5月3日在文昌航天發(fā)射場由長征五號遙八運載火箭發(fā)射。此次任務將突破月球逆行軌道設計與控制、月背智能采樣和月背起飛上升等關鍵技術，實施月球背面自動采樣返回，同時開展著陸區(qū)科學探測和國際合作。嫦娥六號將執(zhí)行為期53天的探測任務，預選著陸區(qū)為南極—艾特肯盆地，此處可能暴露更古老的月幔物質(zhì)，為探測月球深部物質(zhì)提供天然窗口，具有重大研究價值。通過此次月球采樣，能夠對南極—艾特肯盆地的整體演化過程進行研究，有助于解釋該盆地重力異常、化學異常等相關科學問題，發(fā)現(xiàn)并采集不同地域、不同年齡的月球樣品，增進人類對月球的認知。 值得一提的是，嫦娥六號探測器還搭載了4個國際科研載荷，分別為歐洲航天局研制的月表負離子分析儀、法國研制的氡氣探測儀、意大利研制的激光角反射器和巴基斯坦研制的立方星衛(wèi)星。以氡氣探測儀為例，它的科學任務是測量月球表面的氡氣濃度以及由氡衰變形成的釙，從而研究月球土壤的脫氣現(xiàn)象及稀薄大氣中的氣體遷移過程與機理，進而實現(xiàn)對月球水蒸氣和塵埃的示蹤。

美國商業(yè)月球有效載荷服務項目

多年來，美國國家航空航天局（NASA）一直在規(guī)劃月球天然資源的探索和利用。2018年4月下旬，NASA啟動了商業(yè)月球有效載荷服務（CLPS）項目計劃，并發(fā)布了征求建議書草案。同年9月，NASA發(fā)布了正式征求建議書。

CLPS項目旨在使用固定價格合同購買地球和月球表面之間的、端到端的有效載荷服務，通過商業(yè)合同運輸服務的方式把小型探測器和月球車送到月球南極地區(qū)。該項目將有效降低月球探測成本，加速探測器登陸月球、取樣返回和對月球南極地區(qū)的資源勘探，同時促進相關商業(yè)月球探測行業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展。該項目的主要任務和目的是探明月球資源，測試原位資源利用，并進行月球科學考察以支持阿爾忒彌斯載人登月計劃。

CLPS項目第一次任務原計劃于2020年執(zhí)行，但受到技術、預算、新冠疫情等眾多因素的影響而推遲至2024年。首批探測器的主要任務是進行硬件方面的技術示范，如精確著陸、避險、發(fā)電、低溫流體管理、自動駕駛、測試原位資源利用和機械裝置與材料等。著陸器和探測車的重量從微型到500千克、1000千克不等。之前，NASA預計將有效載荷運送到月球表面的費用約為100萬美元每千克，但實際價格可能更高。

探月未半的游隼號月球著陸器

2024年1月8日，美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司研發(fā)的火神運載火箭執(zhí)行首次探月發(fā)射任務，成功將游隼號月球著陸器（簡稱游隼號）送入預定軌道。火神運載火箭是美國新一代主力火箭，也是人類第二枚液氧甲烷燃料運載火箭（首枚為中國的朱雀二號遙二運載火箭）。游隼號是自1972年阿波羅17號載人登月任務結束以來，美國首個嘗試月球軟著陸的航天器。

游隼號月球著陸器寬2.5米，高1.9米，全重約1.2噸。該著陸器主要由鋁合金制成，可以針對特定任務進行配置，預計可在月球工作14天。其推進系統(tǒng)由5臺推力為667牛的發(fā)動機構成，可供著陸器進行地月轉移、軌道修正、月球捕獲和落月期間的動力下降，最終實現(xiàn)月面軟著陸。此外，它還裝備了12臺推力為45牛的姿態(tài)控制發(fā)動機。

游隼號的航空電子系統(tǒng)主要用于制導和導航，其由可利用太陽能充電的鋰電池供電；多普勒激光雷達可協(xié)助著陸器進行自動著陸；著陸器可使用X波段內(nèi)的不同頻率來實現(xiàn)與地球之間的通信。

游隼號實際是一個“載體”，用于向月球表面運送科學載荷（能夠運送約265千克重的載荷）。此次探月任務中，游隼號搭載了來自美國、德國和墨西哥的各類科學載荷，包括激光后向反射器陣列、線性能量轉移光譜儀、M-42輻射探測器、近紅外揮發(fā)分光譜儀系統(tǒng)、中子能譜儀系統(tǒng)、游隼離子阱質(zhì)譜儀等。

游隼號原計劃飛行約46天，于2024年2月23日在月面著陸。但發(fā)射約7小時后，美國航天機器人技術公司報告稱其推進系統(tǒng)可能存在問題，導致太陽能電池板無法有效獲得太陽光，因此游隼號進行了一次計劃外的機動—將太陽能電池板轉向太陽。隨后的分析認為，游隼號的推進劑正在不斷泄漏，并可能在40小時后全部消耗完。最終，美國航天機器人技術公司確認，游隼號已無法登月。發(fā)射6天后，公司決定引導它重返地球軌道。美國52年后的首次探月嘗試就此戲劇性地宣告失敗。

成功落月的奧德修斯號月球著陸器

新星-C月球著陸器—奧德修斯號由美國直覺機器公司設計，也是NASA為CLPS項目選擇的第一批月球著陸器之一。該型著陸器長3米、直徑2米，整體呈六邊形，有6條著陸腿，最大發(fā)射重量為1902千克，最大載荷為100千克。新星-C月球著陸器由一臺推力為4000牛的VR900液氧甲烷推進劑發(fā)動機提供動力，著陸后，它也可以通過發(fā)動機進行垂直起飛、巡航和再次著陸。

在游隼號月球著陸器探月任務宣告失敗后不久，首臺新星-C月球著陸器—奧德修斯號開始執(zhí)行CLPS項目第二次任務。2024年2月15日，獵鷹九號運載火箭搭載奧德修斯號從肯尼迪航天中心發(fā)射臺順利起飛。

奧德修斯號搭載了12個來自美國各科研機構和高校的科學載荷，主要進行射電天文學、月表空間天氣和通信以及導航能力等科學實驗，計劃在月球表面活動約1周。雖然發(fā)射當天，工作人員發(fā)現(xiàn)其星跟蹤器存在問題，但著陸器還是順利啟動了發(fā)動機，并進行了多次點火以調(diào)整軌道，最終順利進入月球軌道。北京時間2024年2月23日凌晨，奧德修斯號正常進入落月程序，成為1972年阿波羅17號之后首個成功落月的美國航天器。

不過，隨后的信息顯示奧德修斯號的狀況并不樂觀，比如其搭載的激光測距雷達無法工作；落月速度過快使得兩根著陸腿因受損而折斷，進而導致著陸器傾倒在月球上；不佳的著陸姿態(tài)直接導致其搭載的高增益通信天線無法指向地球，只能通過低增益大口徑天線回傳數(shù)據(jù)；等等。3月1日，奧德修斯號結束了月球探測任務。

目前，CLPS項目還計劃在2024年開展兩次月球探測任務，分別由預計在2024年第三季度由獵鷹九號運載火箭發(fā)射的藍幽靈M1著陸器和預計在2024年11月由重型獵鷹運載火箭發(fā)射的蝰蛇月球車來執(zhí)行。

藍幽靈M1著陸器由美國螢火蟲航天公司研制。著陸器上搭載的儀器將通過收集數(shù)據(jù)深入了解月球風化層的特性、地球物理特征以及太陽風和地球磁場的相互作用等，為日后航天員前往月球表面做好準備。

蝰蛇月球車全稱極地揮發(fā)物探索探測車，計劃前往月球南極地區(qū)的永久陰影區(qū)。它將在此區(qū)域行駛數(shù)千米，總運行約100天。它的科學任務為探測、分析水冰的分布和濃度，收集不同光照和溫度下不同類型土壤環(huán)境的數(shù)據(jù)，以此評估月球上的潛在資源，用于后續(xù)支持阿爾忒彌斯載人登月計劃。

部分成功的日本智能月球著陸器

日本同樣在2024年展開了對月球的探索。此前，日本曾在2007年成功發(fā)射了一枚名為“輝夜姬”的月球探測器，該探測器于2007年9月14日順利發(fā)射，按照預定程序進入月球軌道，并使用搭載的14臺科學儀器對月球開展了為期一年半的觀測任務。在順利完成各項任務并取得一系列科學成果后，輝夜姬月球探測器于2009年6月以受控方式墜落到月球表面，結束了日本首次月球探測任務。

日本民營航天公司iSpace在2022—2023年進行了日本首次月球表面著陸嘗試。

2022年12月11日，iSpace研制的白兔-R M1月球著陸器成功發(fā)射。經(jīng)過數(shù)月的飛行和軌道調(diào)整后，白兔-R M1月球著陸器順利進入月球軌道，并于2023年4月26日進入落月程序。不過，在著陸的最后階段，著陸器的下降速度突然變快，最終墜毀在月球表面。后續(xù)的研究和調(diào)查顯示，著陸器的高度計出現(xiàn)了故障。根據(jù)預設著陸程序，著陸器應該在位于月面上方一定高度時關閉主發(fā)動機，然后使用輔助發(fā)動機緩慢下降直至落月；然而，高度計故障導致著陸器提前耗盡了發(fā)動機推進劑，最終直接墜向月面。日本首次落月嘗試就此宣告結束。

由日本宇宙航空研究開發(fā)機構（JAXA）研制的智能月球著陸器（SLIM）進行了日本第二次落月嘗試。2023年9月7日上午，H-2A運載火箭搭載著SLIM從鹿兒島縣種子島宇宙中心順利發(fā)射升空；12月25日，SLIM進入月球軌道。經(jīng)過4個多月的飛行，2024年1月19日下午，SLIM進入落月程序；1月20日凌晨，SLIM到達距離月面約15千米的停泊高度，準備緩緩降低高度并落月。但就在距離月面僅約50米高時，SLIM兩臺主發(fā)動機中的一臺出現(xiàn)故障，導致總推力下降約一半，最終SLIM“倒栽”落在月面，距目標著陸點約55米。

在隨后舉行的新聞發(fā)布會上，JAXA宣布SLIM已成功著陸月球，并建立了與地球的正常通信，日本因此成為世界上第5個成功登陸月球的國家。SLIM僅用于驗證日本精確月球著陸技術，并未搭載科學載荷。其搭載的兩個小型月球車上配備了小型攝像頭，主要用于拍攝月表圖像和確認著陸器落月后的狀態(tài)。

在完成了數(shù)據(jù)傳輸、搭載的電池電量僅剩12%時，SLIM關閉電源，進入了休眠狀態(tài)。1月28日，隨著太陽運轉方向的轉變，SLIM的太陽能電池板獲得了一定電量，SLIM重新恢復工作。1月31日，SLIM再次進入休眠狀態(tài)。2月25日，經(jīng)受住月夜低溫考驗的SLIM，恢復了與地面的通信。3月1日，SLIM又進入休眠狀態(tài)。3月27日，它重新恢復工作，再次與地面進行通信。

2024年上半年的月球已熱鬧非凡：自1972年后，美國再次發(fā)起登月沖擊；日本成功完成首次落月探測；在完成新一代月球中繼星的發(fā)射后，中國航天即將展開人類首次月背采樣返回任務……2024年也是人類探月新的起點：美國商業(yè)月球有效載荷服務的一系列月球探測器將為阿爾忒彌斯3號載人登月任務做好“探路”準備；中國航天也已經(jīng)對嫦娥七號、嫦娥八號、國際月球科研站和2030年載人登月做了詳細規(guī)劃。從2024年到2030年，幾乎每一年都會留下中國航天人巡天探宇的足跡。“踏月凌天探星河”，高不可攀的明月將是我們叩問蒼穹的下一站。

【責任編輯】諶 燕