重返月球，新兴企业唱主角

□ 展鹏飞

重返月球，新兴企业唱主角

□ 展鹏飞

▲ MX-5甚至可以支持采样返回任务，让一个着陆单元重新起飞

在蹉跎了几十年之后，美国宇航局（NASA）终于决定迈出重要一步，正式启动重返月球的工作。与小布什政府的“星座”计划惨遭取消相比，这次NASA重返月球的计划没有引起太多反对声浪。这或许是因为特朗普比较强势，重新组建的国家航天委员会发挥了正面作用。另一方面也可能是因为近十几年来的研究和探索让人们认识到，月球基地是进一步深空探索的必要条件，想跳过月球直接前往火星或者小行星，会面临难以克服的困难。

“月球软着陆货物运输和着陆”计划

其实在特朗普政府上台前，NASA也没有完全放弃重返月球的努力。早在2015年10月，NASA启动了一个叫做“月球软着陆货物运输和着陆”的计划，鼓励商业公司开发一种向月球运送货物的工具。至于货物的内容，可以是仪器、设备、建设物资、燃料，也可以是用来维持未来月球基地航天员生活的食物、水，等等。这个计划的特点是，NASA不投入任何研发资金，但是可以提供有关的技术资料。待商业企业把运输工具研制出来，NASA再出资采购。也就是说，要把现在国际空间站的商业货运服务采购模式移植到月球上。

2017年9月，NASA发布了一份信息征集书，希望业界提供“小型载荷运输工具，最早能在2017～2020年间进行首次飞行，把货物送上月球”。这个项目是由NASA的先进探索系统部门发起，目的在于填补载人或机器人探月和纯粹月球科学研究之间的空白。

不过项目负责人也指出：“NASA不打算限定这种运载器的质量、尺寸和价格，目的是征集各种适合于用美国商业航天服务运送到月球的有效载荷。”

或许是受到国际空间站商业模式的鼓舞，有4家商业企业积极参与了这项工作。有意思的是，其中3家是创业型的小公司，分别是月球快车公司、宇宙机器人公司和马斯腾公司。

由电商大亨毕索斯创建的蓝色起源公司算是4家企业中最大的一家。蓝色起源公司并没有公布详细的月球运输载具技术参数。目前已经知道的是，这是一种相当大型的航天器，最多可以把7吨物资送上月球，但目前还没有得到NASA的认可。

▲ 月球快车公司的MX系列登陆器采用4条支腿降落的方案，底部装有一台发动机

▲ 月球快车公司的MX-2登陆器飞往月球

▲ MX-1和MX-5都可以携带小型月球车，扩大考察范围

月球快车公司的“三步走”策略

月球快车公司研制的是两种型号，打算采取三步走的策略。先后研制和发射MX-1E、MX-2、MX-3登陆器，一个比一个更大。目前MX-1E已经入闱。

MX-1E采用4条支腿降落的方案，底部装有一台发动机。它的尺寸和质量都比较小，装满燃料和载荷的质量只有250千克，最大载荷能力也只有30千克。它的任务，主要是验证地月飞行的技术，同时携带科学仪器开展月球资源勘测。它的最大输出功率只有200瓦，显然很难承担钻探和运输任务。正因为小，MX-1E的发射费用很低。目前，月球快车公司打算把它送到新西兰去，用“电子”小型火箭发射。

一旦MX-1E取得成功，月球快车公司就要研制MX-2，其实就是把两个MX-1E叠在一起。MX-2的最大质量达到了500千克，但载荷能力还是只有30千克，多出来的250千克用于提供更强的飞行能力。MX-1E的速度增量只有5.8千米每秒，而MX-2可以达到7.4千米每秒。因此MX-2可以飞往更深远的宇宙空间。

第三步，要研制一种叫MX-5的飞行器。这里的5并不是序号，而是真的用5台MX-1E并列拼合在一起，形成一个比较大的平台。相应地，MX-5的最大质量增加到了1300千克，载荷能力也上升到了150千克，都是乘以5的关系。

宇宙机器人公司的“游隼”

宇宙机器人公司推出的着陆器代号“游隼”，理念是“全程托管”。着陆器本身只是一个飞行和着陆平台，没有科学探测功能。所有有效载荷空间都提供给科学机构，搭载这些机构提供的科学仪器。发射前，公司会为每个客户建立一个“有效载荷照看计划”，由相关工程师提供有关信息、交换数据，保证有效载荷与平台的兼容性。

“游隼”看上去和阿波罗登月舱的理念很接近，用4个支腿支撑着本体结构，5个反推发动机装在底面。在底面的一侧，密集安装着敏感器盒。其中一个敏感器盒里装有太阳敏感器、星敏感器、速率陀螺，用来在飞行过程中确保太阳电池指向太阳。在它下面的平板上，是8个无线电高度计盒，用来控制着陆的速度和方向。着陆的时候，“游隼”先是飞行在距离月球表面15千米高的轨道，然后开启发动机向下降落，经过600秒的飞行，最终实现软着陆，期间的最大降落速度不超过2.5米每秒。

第一次任务期间，降落后，“游隼”先展开系统自检，从飞行模式切换到月面操作模式，建立与地面的通信联系。然后排空剩余燃料，以免发生意外。这些工作完成后，实施有效载荷自检。平台要向有效载荷供电，检查它们的通信情况和软件运行，有些软件需要及时更新。自检通过后，就要进入运行阶段了，平台向有效载荷提供电力和通信服务，供地球上的客户获得数据。这个周期会持续8天，当月夜来临，“游隼”就停止工作了。

但是因为不载人，“游隼”没有厚厚的密封舱壁，燃料罐直接暴露在外面。为了长期执行任务，“游隼”顶部还有一块太阳电池。用来承载有效载荷的铝制平面被分成四个部分，有效载荷可以放在平面上工作，也可以用释放机构部署到月面上。

平台所针对的客户也没有什么限制，企业、政府、大学、非盈利机构都可以提交自己的有效载荷，哪怕是个人都可以，只要付得起每千克12万美元的票价就行。不过如果打算搭载月球车，那么费用要高不少，达到每千克20万美元。

除了飞行费用，有效载荷的供电和通信带宽也是按照单位质量来计算的。大约每千克提供0.5瓦的电力和2.8千比特每秒的通信带宽。如果用户需要更多电力和带宽，就要加钱，每个瓦特需要多加22.5万美元，每千比特每秒带宽需要多加3万美元。听起来有点贵，不过考虑到这是月球价格，也是合理的。

无论电力还是通信，都是用一个插头来实现。当然这不是常见的USB插头，“游隼”的有效载荷和平台要用一种看上去很像花洒的插头来连接，上面有37根插针，包括电力、电力控制和数据三大类，还有一些插针是预留的。“游隼”内部还有一个采用Wi-Fi标准的无线局域网，一些无法接线的有效载荷——例如月球车——可以采用无线接入，然后通过“游隼”上的大天线和地面联通。这样，月球车就不需要携带大功率的地月通信设备，可以设计得又轻又小。

至于说花了这么多钱可以得到什么“有效载荷照看”，这家公司提供了以下服务：总体和技术咨询、每季度一次的业务和任务信息更新、每月一次的技术交流、开放设计参考文件和资料库、提供有效载荷设计评审和反馈、开放平台兼容性试验服务设施。从步骤上来说，一旦用户和宇宙机器人公司签署合同，就可以得到接口控制文件；公司派出工程技术人员参与有效载荷设计和试验，确保兼容性。设计和研制完成后，用快递送到宇宙机器人公司，集成到“游隼”上。一旦“游隼”成功着陆，公司负责实现有效载荷和用户地面设施之间的通信联系。

“游隼”前三次任务先发射到近地轨道上，然后再向月球转移。因此需要携带足够多燃料用于地月间飞行，不可能携带很多载荷，因此其中第一次发射只搭载35千克载荷，后两次逐步扩大到175千克和265千克。这三次打算采用搭载发射的方式，无论猎鹰9号还是宇宙神-5、德尔它-4都可以考虑。

第一次任务的着陆场将选在月球上的“拉克斯号角”地区，在月面执行大约8天的任务。

从第四次任务开始，“游隼”将作为火箭的主要载荷发射到地月转移轨道上，有效载荷将增加到570千克。目前宇宙机器人公司总共规划了5次任务（含近地轨道的3次），平均间隔两年。

“游隼”的一些关键部件和软件由外协提供，例如雷达高度计由霍尼韦尔公司提供、燃料储箱由轨道科学ATK公司提供，软件由达索公司、AGI公司等提供。

▲ “游隼”在月球表面着陆示意图

马斯腾公司的现实与梦想

在3家公司里，马斯腾公司的进度是最快的。他们已经在加利福尼亚州的莫哈维沙漠试验场里对月球垂直起降技术展开飞行试验了。如果技术成熟，就会正式研制提供给NASA的XL-1月球着陆器。

XL-1同样是一种四条腿的着陆器，起飞质量2400千克，可以把100千克的物资送上月球。虽然总体上说只能算一种小型着陆器，但还是要用猎鹰-9、宇宙神-5或者德尔它-4这样的大型火箭来发射，而且只能单程奔月，不能重复使用。XL-1的主要任务，是测试一些新的技术，包括新的自燃式燃料技术，研究相关的压力、热量和疲劳问题，设计和测试飞行软件，开发相关的电子设备，开发和测试所谓的“灾害监测系统”，等等。

为了完成上述目的，马斯腾公司打算先制造一个小型的样机，叫做XL-1T。XL-1T的质量只有1300千克，它的结构和XL-1基本上相同，但是不能飞往月球，只能用于地面试验。XL-1T装了4个4400牛顿的发动机用于机动飞行和着陆，还装有4个22牛顿推力器用于姿态控制。

XL-1和XL-1T都要使用马斯腾公司开发的一种新燃料，叫做MXP-351。据说这种推进剂无毒，可以长期在常温常压下储存。但是这家公司至今也没有公布具体成分。

这家公司设想的另一种着陆器就要大得多，叫做Xeus。如果是单程地月飞行，Xeus可以运送大约10吨之多的物资。如果打算地月往返飞行、反复使用，就要携带不少用于回程的燃料，所以送上月球的物资就要减少到5吨。要运送这么多东西，XL-1那几个小发动机就不敷使用了。因此，Xeus使用的是两台宇宙神-5火箭的"半人马座"上面级搭配RL-10发动机。宇宙神-5火箭的制造商联合发射联盟公司（ULA）对月球快车公司的研制工作给予了支持，提供了两台“半人马座”。其中一台已经损坏，只能用来进行装配试验，另一台用来进行试验。

根据设计RL-10发动机用于月球软着陆时可以提供16千牛的推力，2014年月球快车公司入选CATALYST项目后，联合发射联盟公司加强了对这个项目的支持。2015年12月，ULA公司主动提出，为XEUS提供新的、研制中的先进低温扩展级（ACES），替代原先的“人马座”，大幅度提高了运输能力。为此，月球快车公司完全重新设计了XEUS。在新的方案中，XEUS将装有4台氢氧发动机，用四个支腿横卧着降落到月球上。降落后，这4台发动机距离月面大约3米高。这就给重新起飞离开月球提供了比较好的条件。新设计的XEUS可以在拉格朗日点补给站和月面之间往返运输货物，单次运输能力达到25吨之多。只要能在月球上发现并且开采水冰资源，XEUS本身所需要的液氢液氧燃料可以在月球上补充，不需要从地球送去。因此，它可以长期担任月球表面和月球轨道之间的摆渡车。

月球快车公司不但自筹资金搞研发，还出资鼓励其他科研机构研制搭载设备。该公司宣布，可以为三个设备提供各50万美元的资金支持，条件是这三个设备都是经过NASA批准、可以运送到月球上的。有关负责人说，这样的支持是为了加强公司与NASA、有效载荷之间的联系。所以，我们不妨把这看作一种“消费返现”的促销。

除了上面三家公司，连锁旅馆大亨比格罗也打算掺乎一下。他不但打算搞登月舱，还打算把充气式空间站送到环月飞行的轨道上，以此作为登月活动的支援基地。根据比格罗的计划，这个支援基地在2022年就会到位，比NASA正在推动的深空关口站进度还快。到时候，NASA会不会坐享其成，直接向他订房间，也是很难说的。

登月只是开始

登上月球只是一个开始，开采月球资源才是正餐。前文说到，NASA要在月球上开发水资源，那么就离不开钻探工作。因此，NASA早就启动了月球“资源勘探器”项目。它的主要任务，是在月球极区开展勘探工作，首要的目标当然是氢、氧和水资源。有关的技术最终要用于火星，解决人类在火星上长期生存的问题。月球“资源勘测器”将在2020年后的某个时候发射，经过三天飞行后到达月球，然后放出一辆带有钻探和勘探设备的月球车。它在月球的着陆地点也不是无的放矢，而是根据此前环月飞行器的勘探成果而精确选定的。勘探月球车会首先用设备探测浅地表下的水、氢元素或其他资源。如果发现资源富集的地点，就用钻头打出一个大约1米深的探洞，把土壤和演示样品取进车内，用器皿加热，确定各类化合物的品种和含量，尤其是水。

责任编辑：夏丹