美国首次重返月球为何失败了
美国首次重返月球为何失败了
美国时隔52年的首次“重返月球”任务失败了。
当地时间2024年1月8日2点18分，搭载着“游隼”号（Peregrine）月球着陆器的“火神半人马座”火箭，在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角太空军基地发射升空。这晚天气很好，发动机燃烧甲烷时产生的深蓝色火焰在夜空中仿佛被点亮的流星尾巴。
但发射数小时后，“游隼”号的推进系统内部发生故障，造成推进剂泄漏，导致航天器动力不足。“游隼”号飞行32小时后，这一着陆器的研发制造公司太空机器人（Astrobotic）就宣布：“不幸的是，在月球上着陆已经不可能了。”
1月8日，“火神半人马座”火箭搭载着“游隼”号月球着陆器，在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角太空军基地发射升空。图/视觉中国
无论从哪个角度而言，此次发射都意义非凡。对美国来说，“游隼”号是自1972年最后一次“阿波罗任务”结束以来发射的第一个月球着陆器，也是美国第一次商业登月发射。同时，这是美国国家航空航天局（NASA）为重返月球的“阿尔忒弥斯计划”派出的第一个先遣队。
在发射失败的消息传来后，不出意外的是，NASA宣布载人登月任务推迟到2026年9月。
“有一千种不同方式可以让
阀门不开心”
在太空中运行了10天零8小时后，原本计划“重返月球”的“游隼”号，正在“重返地球”。
当地时间1月18日，Astrobotic对它的结局发出了最新预告：预计“游隼”号将从南太平洋上空进入地球，坠落在人烟稀少的区域。
最初，一切都很完美，发射约50分钟后，“游隼”号向月球进发，但在约6小时后，Astrobotic宣布，航天器出现“推进异常”，无法进行姿态控制，即太阳能电池板无法调整到正确角度以顺利充电，尽管该问题很快通过更新控制算法得到解决，但“推进系统内的故障”随后导致了推进剂的严重泄漏。对登月飞行而言，这是一个致命的问题，泄漏将造成燃料提前消耗殆尽，使航天器没有足够动力前往月球。
国际宇航联空间运输委员会副主席杨宇光对《中国新闻周刊》解释说，对月球着陆器而言，姿态控制非常关键，因为只有通过姿态控制使太阳能电池板对准太阳，才能有效充电，获得电力。而“游隼”号的姿态控制主要依靠推进系统，这也意味着，当推进剂用光后，姿态就会失控，航天器“很快会因没电而死掉”。
2023年11月21日，Astrobotic公司的“游隼” 号月球着陆器被封装在“火神半人马座”火箭的有效载荷整流罩中。图/美国国家航空航天局网站
人类登月的旅程从来伴随着困难和意外。目前，只有12个人曾踏上过月球表面，最后两位是1972年乘坐美国阿波罗17号登上月球的指令长尤金·塞尔南和驾驶员哈里森·施密特，他们在月球表面足足待了22小时4分钟，从航天器向外走了7.6公里。此后，再没有一架载人航天器飞向这个“离我们最近的邻居”。
直到最近几年，人类又重燃了对月球的兴趣。NASA提出了重返月球的“阿尔忒弥斯计划”；中国“嫦娥五号”在2020年12月携带月球表面样本重返地球；2023年，印度“月船三号”在月球南极表面软着陆，成为继苏联、美国和中国之后，世界上第四个成功登月的国家。但更多的是失败，同样在去年，日本、俄罗斯发射的登月航天器相继坠毁。
在杨宇光看来，相较日本、俄罗斯等国的失败尝试，“游隼”号犯的错误可能“更低级一些”。他解释，登月大体需要五步，首先是火箭将登月探测器送入地月转移轨道；第二步，在该轨道上大约飞行3~5天，其间需要进行几次修正，以保证飞行轨迹准确；第三步是近月制动，即探测器到达月球附近时减速进入绕月轨道；最后两步是降轨和落月。“日本、俄罗斯的探测器都完成了前四步，在最后的落月阶段坠毁，这一步确实很难，因为要在很短时间完成减速，相当于从每小时五六千公里的速度减到0，任何控制上的细微误差，都可能导致坠毁。但‘游隼’号甚至还没有完成第二步，也无法进入绕月轨道。”
实际上，推进器系统故障是航天器故障中一种常见类型。对于“游隼”号推进剂泄漏的可能原因，Astrobotic内部的一种推测指向“没有很好密封的阀门”，导致高压氦气在飞行中涌出，使氧化剂罐破裂。长期关注航天工业的人会清楚，阀门虽小，却是航天器中最常见、也最重要的组件之一，必须以超高精度制造，尽可能轻，并能够承受极端温度、压力和振动环境。对于泄漏率，一些阀门有极苛刻的要求：200 年内仅允许泄漏一克氦气。
致力于开发航天器推进系统的初创公司Benchmark Space Systems首席技术官杰克·托伊弗特感慨：“有一千种不同的方式可以让阀门不开心。”早在2019年，SpaceX的载人“龙”飞船在地面测试中就因推进系统阀门泄漏而爆炸。2021年，波音公司的新一代载人飞船 Starliner 在第二次轨道飞行测试时也因阀门故障而停飞。
中国航天科普大使、中国科学院国家空间科学中心研究员周炳红对《中国新闻周刊》分析，“游隼”号的错误发生在登月的更早期，这样的失败对美国而言，的确有些罕见。但首飞的探测器比其他探测器故障概率要高，核心的一个原因就在于，地面实验无法完全模拟太空中飞行时的真实环境，真正发射后存在诸多变量。因此，“游隼”号阀门没有紧闭，是否与发射时的振动过大有关，抑或是其他原因，还有待进一步的数据披露，“我要强调的一点是，月球探索是一件很困难的事，任何一次首飞就像在做实验，当然有失败的可能”。
按照原计划，“游隼”号将在2月23日登陆月球并在表面运行大约10天，NASA最关心的是航天器上的五个有效载荷，即“携带的货物”，其中有两台用于监测月球辐射环境的仪器，众所周知，辐射是人类在月球上进行长期活动的一大挑战。另外几个科学设备可以分析月球上的土壤和大气，寻找水分子。“游隼”号的目标着陆点，是月球正面一块绵延数公里的区域，科学家认为这里可能有“水的证据”。这些研究都将帮助美国更好地了解月球环境，并为下一步的载人登月铺路。
现在，这些科学目标都无法实现，但也不是毫无收获。当意识到无法顺利登月后，Astrobotic就决定用现有电力来执行有效载荷任务并收集尽可能多的数据。NASA随后称，“游隼”号上的两台仪器正在测量地球和月球周围星际空间的辐射环境，这些数据可以为宇宙射线活动、太阳活动引发的太空气象“提供补充见解”。杨宇光说，月球探测器一般在登陆前很少打开科学设备，“游隼”号“只是在最坏的情况下做了一个不那么糟的选择”，数据的科学价值有限，因为这些仪器主要是为了在月球表面工作而设计，并非地月空间。
虽然“游隼”号登月失败了，但此次发射最大的成功或来自“火神半人马座”火箭，Astrobotic强调，火箭顺利地将“游隼”号发射至地月转移轨道，“没有迹象表明推进异常是由于发射造成的”。
周炳红解释，该火箭是由美国联合发射联盟公司（ULA）研制的新型两级半运载火箭，由一级、二级及助推器构成，最大高度约67.4米。除固体助推器外，一级箭芯配备有2台BE-4液氧甲烷发动机，“这是一个全新的发动机”，二级箭芯仍采用2台传统的氢氧发动机，“整个系统相当于使用了三种不同的推进剂组合，结构非常复杂”。
此次发射成功，也意味着美国第一枚液氧甲烷火箭成功入轨，美国成为继中国之后，世界上第二个走甲烷火箭技术路线的国家。值得一提的是，BE-4液氧甲烷发动机由美国商业航天时代的三大巨头之一蓝色起源研发，而成立于2006年的ULA则是美国航天的老玩家，由“国家队”波音和美国航空航天制造商洛克希德·马丁公司合资组成，曾垄断美国火箭发射市场，但近年来受到SpaceX的很大冲击。因此，当马斯克在社交媒体平台X上祝贺ULA的新型火箭发射成功，该成功又与马斯克的竞争对手、同样代表太空新兴力量的贝佐斯（蓝色起源创始人）有关时，新旧历史交互，形成了一个有趣的对照。
“从中你可以看到，一个美国传统的航天企业，在面对激烈的市场竞争时做出了一个顺应市场的选择。但同时，它的二级发动机仍是上一个航天时代的遗产。”对商业航天市场很熟悉的千域空天咨询有限公司创始人蓝天翼对《中国新闻周刊》这样说。
永远没有100分的发射
“我四岁的儿子对我说，他的DNA迷失在宇宙中了！”
当“游隼”号宣布登月失败后，这条评论很特别，它再次提醒人们：这是一次商业登月，除了NASA为那些科学仪器购买“船票”外，Astrobotic可以选择把“船票”卖给任何人。
《星际迷航》已故的创造者吉恩·罗登贝瑞和妻子是首批“乘客”，早在20世纪90年代，他们就提出要把自己的骨灰样本送入太空。这一次，太空纪念公司Celestis为他们提供了这一服务。该企业的宣传口号很抒情：将火化的遗体或 DNA 送入深空，通过一次永恒的旅行来纪念你所爱的人。他们将真正去“没有人去过的地方”。从20世纪90年代就开始的美国太空葬礼虽然已流行了数年，但这还是第一次选择月球作为墓地。
罗登贝瑞一家人的“同伴”中，还有《星际迷航》乌胡拉中尉的扮演者尼切尔·尼科尔斯、科幻小说作家阿瑟·C·克拉克和其他想要进行“特别告别”的普通人的骨灰。不过“船票”并不便宜，一次飞行的起价是12995 美元。此外，美国三位总统的DNA也作为象征被送入月球，他们是：华盛顿、艾森豪威尔和肯尼迪。因此，当无法登月的消息传来，美媒报道的标题是《吉恩·罗登贝瑞的骨灰正在太空中不受控制地飘流：一个孤独的结局》。
除了骨灰和DNA，这一次，Astrobotic还和敦豪快递（DHL）开发了“月球快递”，人们可以把任何纪念品装在一种胶囊里，发送到月球表面，根据“包裹”大小有不同的费用：从460 美元到 25800 美元不等。在航天器最终携带的151个胶囊里，有珠穆朗玛峰山顶的岩石、美国宇航员写给刚去世父亲的信、一枚实体狗狗币、一面金属制乌克兰国旗，以及一位社交媒体痴迷者在同一个问题下征集到的各种回复：如果你能向月球发送物品，你会发送什么？
“游隼”号上装满了人类的各种记忆，虽然它最终失败了，但这次冒险拉开了一个让所有人都能登上月球的新时代序幕。当世界上最大的物流公司正把快递业务扩展到地球之外，Astrobotic首席执行官约翰·桑顿明确地说：“我们的服务价格是市场上最低的，我们试图为企业、大学和政府建立起可负担的的登月通道。”
桑顿的话语充满野心，但其实在1月8日发射前，几乎没有人听过Astrobotic。这是一家成立于2007年的小型公司，只有150名员工，2019年获得了NASA价值7950万美元的合同。在研发“游隼”号之前，公司的拳头产品是月球漫游车CubeRover，这是早在2017年就被NASA“小型企业创新研究中心”选中的资助对象，主打成本优势和小型化。根据官网介绍，通过将漫游车、有效载荷和月球着陆器一起设计，公司可以使每公斤有效负载价格降为 450 万美元。直到现在，Astrobotic对自己的定位仍是一家月球物流公司，目标是让客户低成本探索月球。
近年来，人们对美国商业航天的关注更多聚焦在SpaceX、蓝色起源这类大公司，却忽视了Astrobotic这种小型初创企业。蓝天翼指出，美国的商业航天之所以如此繁荣，是因为在冰山之下，NASA多年来一直在不遗余力地培育初创公司，“NASA的扶持策略是，在企业还不具备能力的时候，我来支持你，给你合同，不是我相信你能做出来，恰恰是我不相信你能做出来，可能有50％~80％的概率要失败，但没关系，所以这是典型的风投逻辑。把钱给10个公司，只要有一家能跑出来，钱就没有白投。NASA的目标就是培育出下一个SpaceX。所以Astrobotic这种小公司，首飞就给了它这么重要的任务”。
在美国航天发展史上，这样的故事听起来很熟悉。NASA第14任局长比尔·尼尔森曾对媒体说：“你和马斯克坐下来，他会告诉你，如果没有 NASA，他就不会取得今天的成就。”
早在2006年，在多数美国人还没听说过什么是商业航天的时候，SpaceX就从NASA获得了一份商业轨道运输服务合同，NASA提供了2.78 亿美元的种子资金，用于资助开发“猎鹰9号”。2008年~2016年间，SpaceX还获得了总价值达16亿美元的一系列商业补给服务合同，这些都是NASA主动为之，它在尝试将国际空间站的货物运输商业化。双方的合作持续到现在，SpaceX已经从替NASA运货变成承运人，也成为美国“阿尔忒弥斯计划”的最重要参与者，2024~2027年排好的十几次登月发射任务，几乎被它全包。马斯克有一次直白地表达对NASA的感激，“我是NASA的忠实粉丝，有一次我的密码是‘我爱 NASA’”。
杨宇光认为，SpaceX成功的首要条件，就是NASA对它主动开放了相当多的资源，除在早期授予各种商业合同外，NASA还允许它免费使用肯尼迪航天中心的39A发射台，“猎鹰9号”的主力发动机灰背隼1号中，最关键的部件喷注器直接采用了“阿波罗计划”中登月舱发动机上的同种产品。因此，SpaceX不能说是白手起家，而是大量吸收了美国过去数十年的航天成果、经验和教训。“总有人在说要培育出自己的SpaceX，但它的成功模式是很难复制的。”
今天，美国航天的公私合作模式已经很成熟。在美国“重返月球”的过程中，从2018年起，NASA商业月球有效载荷服务（CLPS）计划，把绝大部分登月任务商业外包出去，且承包商数量众多，其中很多是像Astrobotic这样的小公司。就在下个月，另一家小型企业Intuitive Machines将发射Nova-C着陆器，如果这次发射成功，就能替代Astrobotic完成它未完成的任务：实现美国第一次商业登月。此外，该企业在2024年内还有两次发射计划，Astrobotic在今年年底也计划发射第二台着陆器“格里芬1号”。目前，和NASA签署CLPS合同的企业共有14家，这些合同全部为“无限期交付”。
蓝天翼指出，美国的月球探索正处于早期阶段，NASA的希望是百花齐放，在选择承包商时，它不会过多在意质量问题，而更看重企业在探索月球时思路的创新性。“比如一家公司做了一个和阿波罗11号一模一样的着陆器，即使质量做得再好，NASA也不会选，但如果另一家企业在登月过程中，选择了一条很新奇的轨道，可以更好地利用引力来节省时间，这就是NASA想要支持的，它看重的是你用什么方式来执行任务。”他解释。
有评论认为，“游隼”号失败会对美国下一阶段的登月产生影响，但在蓝天翼看来，这种影响“是微乎其微的”，因为一次发射失败了，还有更多发射在后面等着，更关键的是，后继者能从这次失败中学习到什么。
和以往很多次一样，NASA对此次失败表现出了很高的宽容度。“游隼”号出现异常后，NASA科学主管尼基·福克斯说：“我们将找出根本原因，帮助下一次发射不再出现这种异常情况。每一次登月努力都为我们提供了获取更多信息以及突破可能性界限的机会。”美国宇航局科学任务理事会副局长乔尔·卡恩斯也说：“每一次成功和挫折都是学习和成长的机会。”
周炳红认为，美国商业航天最值得学习的一点是它的“宽容失败文化”，其背后是一种过程管理思维，不追求“一次成功”，而是通过在短时间内高密度的发射火箭来总结经验教训，每次失败后，在下一次任务中可以避免同样的错误，举一反三，通过这种模式，也可以让技术的迭代加速。“SpaceX采用的就是这种多次迭代的开发路径，同样是‘猎鹰9号’，目前最新版本火箭的运载能力，比早期版本提升了一倍以上，这种方法还可以降低新型火箭的研制和开发成本。所以对一个新的航天企业而言，如果每次都想要做到100分，永远没办法发射。”
发射至今，Astrobotic几乎以每隔几小时的频率在社交媒体X上更新进展，它展现出的透明度和评论区的友善氛围都令人印象深刻。1月9日晚上，位于航天器甲板底部的摄像头捕捉到了一张图像，右上角的边缘处露出了一点弯弯的月牙状光斑，十几个小时后，Astrobotic开心地宣布：“我们的飞行动力学团队已经确认，这个弯曲的钩子就是地球！”
1月14日的第17次更新中，“游隼”号的研发团队破例发了长长的一段话，其中写道：“现在，推进剂的泄漏速度已经非常慢，虽然我们相信航天器有可能再运行几周，但必须考虑到推进系统的异常状态，燃料与氧化剂的比例远远超出了主发动机的正常工作范围，使长时间受控燃烧不再可能。我们决定负责任地安全结束这次任务，以保护地球轨道上的卫星，并确保不会在地月空间中产生碎片。”于是，“重返地球”，成为了“游隼”号的最终飞行路线。
Astrobotic首席执行官约翰·桑顿说，“这次任务教会了我们很多东西，我对下一次登月任务充满信心。”对于“游隼”号的结局，一条评论说：“这是一个很棒的故事，谢谢你们！”
发于2024.1.22总第1126期《中国新闻周刊》杂志
杂志标题：美国首次“重返月球”失败背后
记者：霍思伊