“创世纪”-全球首个非政府月球探测任务分析

2019-05-24王帅张博北京空间科技信息研究所中国空间技术研究院

国际太空 2019年4期

王帅张博（北京空间科技信息研究所，中国空间技术研究院）

北京时间2019年2月22日9时45分，太空以色列公司（SpaceIL）研制的“创世纪”（Beresheet）月球探测器搭乘太空探索技术公司（SpaceX）的猎鹰―9运载火箭发射升空，33min后探测器与火箭分离，开始飞向月球。经过一个多月的地月转移，“创世纪”探测器于4月4日成功进入环月轨道，但在4月12日的着陆过程中出现故障，最终坠毁月球。“创世纪”探测器是以色列首个月球探测器，也是世界上首个由私人企业研制和发射的月球探测器。尽管“创世纪”探测器最终未能实现月球着陆，但该任务不仅实现了以色列深空探测“零”的突破，也使得以色列成为第七个实现月球环绕的国家，同时促进了全球商业月球探测的萌芽。

1 研制背景

“创世纪”任务最初是太空以色列公司参与谷歌月球X大奖赛（Google Lunar XPRIZE，GLXP）提出的月球探测任务。任务可以追溯至2011年，3位年轻以色列工程师成立了以色列非盈利组织——太空以色列公司，致力于向月球发射以色列的第一个月球探测器，赢得谷歌月球X大奖赛。

该大奖赛是一项由XPRIZE基金会组织、谷歌公司赞助的激励型太空竞赛。大奖赛号召由私人赞助的航天项目团队向月球表面发射一个月球探测器，行驶500m，并传回高清视频和图像。大奖赛奖金总额为3000万美元。2018年，大奖赛在没有团队完成比赛目标的情况下终止，太空以色列公司作为大奖赛最终阶段仅存的五个团队之一，继续开展任务。

“创世纪”项目成本约为9500万美元，主要由犹太捐助者提供，其中大部分由以色列亿万富翁和慈善家莫里斯·卡恩提供。太空以色列公司得到了以色列航天局（ISA）等多个航天机构以及教育机构的技术支持，探测器主承包商为以色列航天工业公司（IAI）。

“创世纪”探测器结构示意图

2 任务基本情况

“创世纪”探测器原名“麻雀”（Sparrow），于2018年12月正式命名为“创世纪”，是太空以色列公司研制的私人月球探测器。

任务目标

“创世纪”任务的目标主要瞄准谷歌月球X大奖赛的目标，包括：①在月球表面实现软着陆；②在月球表面行进500m；③将拍摄的高清视频和图片传回地球。此外，“创世纪”探测器将测量月球的磁场，以帮助科学家研究月球是如何形成的。

除了比赛目标之外，太空以色列公司还有着更宏大的愿景，其将“创世纪”任务考虑为一项国家任务：利用“创世纪”任务鼓舞人心的故事，为以色列和世界各地的下一代创造教育影响。公司期望能够创造新的“阿波罗效应”，教育和激励以色列乃至全世界的年轻一代，培养他们对于科学、技术、工程和数学的兴趣。太空以色列公司承诺将大奖赛的奖金用于促进以色列的科学发展和科学教育，确保以色列继续在这些领域保持卓越地位。公司正与教育部一起推出一系列教育计划，以帮助学生跟踪探测器的旅程。

探测器设计

“创世纪”探测器直径约为2m，高约1.5m，发射质量为585kg，其中包含了约400kg的推进剂。“创世纪”探测器配备4个着陆腿，每个着陆腿由3个伸缩式支柱组成，形成倒三角架的形状。三脚架尖端配有一个与月球表面接触的脚垫。“创世纪”探测器携带的有效载荷包括魏茨曼科学研究所提供的磁力仪，以及美国国家航空航天局（NASA）戈达德空间飞行中心提供的、用于测量月球精确轨道的激光后向反射器阵列。

此外，探测器还携带了一个利用纳米技术铭刻着希伯来圣经的、硬币大小的金属片，以及一个装有3个小磁盘的时间胶囊，内容包括以色列独立宣言和国歌、大屠杀幸存者记忆、以色列儿童的太空和月球绘画、徒步旅行者的祈祷和已故总统西蒙佩雷斯的笔记等以色列历史和文化信息。

为了降低成本和质量，“创世纪”探测器没有备份的冗余系统，其设备出现故障就可能导致整个项目失败。

2.2 王屋镇各树种“古树之最”的生境调查表明，王屋镇各树种“古树之最”位于家户门前、寺庙周边、景区之内、道路边(表2)，海拔为389～981 m，坡向多为南向，坡度为0～30°，坡位多为中、下位，土质多为褐土。

任务实施历程

北京时间2019年2月22日，“创世纪”探测器搭乘猎鹰-9火箭发射升空，在进入远地点6×104km的超地球同步转移轨道后与火箭分离。然后，探测器将利用自身推进器逐渐提高绕地球轨道高度，直至到达远地点约为4×105km的轨道。4月4日，探测器在与月球交会处实施轨道机动，主发动机进行了6min的点火，使探测器速度降低了1000km/h，进而实现了探测器的月球捕获，探测器进入500km×10000km的环月轨道。随后，探测器再次实施机动进入200km的环月圆形轨道，并在着陆前进入了近月点15～17km、远月点200km的轨道。

北京时间4月12日3时25分，“创世纪”探测器开始实施月球着陆，着陆初期进展较为顺利，主发动机成功点火，探测器还在距月面约22km处拍摄并返回一幅包括月面和自身携带的旗帜的照片。但之后，探测器主发动机发生故障，地面控制人员尝试重启发动机以使其重新正常工作，但为时已晚，探测器坠毁在月球表面。

“创世纪”探测器原计划登陆月球后，将拍摄着陆地点并利用磁力仪开展月球磁场的测量。由于没有热控系统，探测器只能在月面工作2天左右的时间。计划着陆在月球北半球的澄海内，着陆区域直径约为15km。该地点具有磁异常，探测器的磁力计装置将获取该地区的磁力信息，并将其用于科学研究。

“创世纪”探测器轨道示意图

“创世纪”探测器着陆地点示意图

3 任务特点分析

“创世纪”任务是全球首次非政府月球探测任务，与以往政府开展的民用月球探测任务存在较大差异。

全球首次私人月球任务，推动商业月球探测萌芽

“创世纪”是非传统航天大国开展的首次月球探测任务，也是全球首次由私人资助的月球探测任务，推动了商业月球探测的萌芽。尽管探测器未能成功着陆月球表面，但其成功进入了环月轨道，使以色列成为了世界上第七个成功实施月球环绕的国家。

尽管“创世纪”任务只是一次探索和试验性任务，没有实质上的商业行为，但其开辟了月球探索公私合作的道路。2018年10月，NASA在“月球发现和探索计划”的支持下，开始参与“创世纪”任务。NASA向任务提供了激光后向反射器阵列、任务期间的通信支持等。太空以色列公司将与NASA共享探测器获得的数据。

此次任务一定程度上践行了NASA商业月球探测的模式，探测器搭载了NASA的载荷，NASA提供深空通信支持，同时双方共享探测数据。可以说，“创世纪”任务尽管没有商业有效载荷搭载，但促进了全球商业月球探测的萌芽。

偏重工程以及政治目标，科学探测内容相对较少

不同于其他大奖赛参赛任务的是，“创世纪”任务的政治色彩相当浓重。更多包含了完成以色列首次月球探测并开展教育活动的政治目标。很大程度上，此次月球探测任务代表了以色列，从任务目标角度看，任务除了实现大奖赛工程目标外，还包含激励以色列下一代和发展科学教育等内容；从任务研制角度看，以色列国家工业和院校深度参与了该项任务，以色列航天工业公司等企业给予了大力的技术支持；从任务性质角度看，太空以色列公司的商业目的和未来商业规划明显弱于其他大奖赛参赛队伍，同时大量以色列志愿者参与了任务，性质更接近民用；从任务宣传角度看，大量宣传直接将其称为“以色列首次月球探测”，公司也将其视为一项国家任务看待，很少提及商业或私人公司等要素，同时官方网页包含了大量的教育元素，类同于欧美等国的民用探测任务。

上述内容很大程度上与以色列未发射过月球探测器有关，毕竟“创世纪”探测器是以色列研制的首个月球探测器，而美国、日本和印度等国均发射过月球探测器，政府重视程度不可同比，公司也将其视为一次政府任务来开展。总的看来，除了经费赞助者的私人性质明确以外，很多的要素都与商业航天关联性较弱，其政治目的明显高于其他大奖赛参赛任务。

探测任务设计中规中矩，月面移动方案相对创新

“创世纪”的任务设计主要围绕实现谷歌月球X大奖赛展开，除了采取反推发动机进行“跳跃”从而实现移动以外，该任务就是一个小型简化版的传统月球着陆器任务。

探测器与传统的月球和火星着陆器构型类似，着陆方式也采用了当前主流的反推发动机+着陆腿缓冲，任务轨道方面则受限于发射成本而选择了时间较长的飞行方式，着陆地点方面选择了月球正面平坦区域中具有磁场异常的地点，可以开展磁场探测，整个探测器看来就是一个小型简化版的传统月球着陆器。只是在月面移动方案上进行了创新，没有采用履带式或轮式月球车进行表面移动，而是考虑采用反推发动机再次点火升空并着陆，从而完成移动。这样做既节省了研制月球车的成本，又降低了探测器的质量，但在谷歌月球X大奖赛终止之后，太空以色列公司就暂缓了移动的目标，将主要精力集中在着陆目标上。

4 结论

任务性价比仍相对较低，短时间无法用于商用

“创世纪”项目成本约为1亿美元，其中不包括以色列航天机构和科研院校提供的无偿技术支持。项目成本确实仍低于欧美传统月球着陆任务，但其功能相对有限，有效载荷搭载能力较低，且仅能在月面生存约2天；同时设备没有备份，一旦出现故障将导致整个任务失败，可靠性非常低。在当前探月模式未发生重大变化的情况下，“创世纪”探测器的性价比并不高。

利用“创世纪”探测器实现商业盈利还需要一段时间。不过，利用商业资金开展非政府创新航天任务的模式值得借鉴，该模式既可引入商业投资，也减轻了政府任务必须成功的压力，有助于加速推进创新技术和创新任务的发展。

商业月球探测开始萌芽，应把握当前发展机遇

“创世纪”探测器的发射正式开启了非政府私人月球探测，实践了商业搭载有效载荷的模式，为未来政府和高校科研机构、私人公司甚至个人开展月球科学探测和开发提供了新的路径。近年来，NASA也在积极探索商业月球有效载荷服务的道路，期望将近地商业载人运输的成功经验应用到月球探测上，未来商业月球探测有望重塑当前近地轨道商业运输的繁荣景象。