文/董佳偉

北京時(shí)間6月28日17時(shí)55分52秒，美國火箭實(shí)驗(yàn)室的電子號火箭托舉光子上面級和頂石月球探測器成功從新西蘭瑪西亞半島LC-1B發(fā)射臺起飛。頂石月球探測器任務(wù)是美國宇航局月球門戶空間站在月球近直線暈軌道（NRHO）開展任務(wù)的探路先鋒，將探索長期在月球NRHO 軌道運(yùn)行和月球自主導(dǎo)航定位。頂石月球探測器為12U 立方星（20厘米×20厘米×34.05厘米），體積接近家用微波爐, 重約25千克。

▲ “電子號”尾焰

成功發(fā)射

頂石月球探測器全稱為“月地自主定位系統(tǒng)技術(shù)操作與導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)”（Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment，簡稱 CAPSTONE，譯為“頂石”）。發(fā)射9分鐘后，光子上面級和頂石月球探測器組合體成功和火箭二級分離，進(jìn)入高度165千米、傾角39.1°的近地停泊軌道。在隨后的5天里，光子上面級搭載的超居里發(fā)動(dòng)機(jī)通過多次點(diǎn)火，逐步抬升組合體的遠(yuǎn)地點(diǎn)高度至7萬千米。發(fā)射后第六天，超居里發(fā)動(dòng)機(jī)最后一次在近地點(diǎn)點(diǎn)火，將組合體加速至 10.97千米/秒從而達(dá)到地球軌道逃逸速度并踏上奔月之旅。最后一次組合體點(diǎn)火后 20 分鐘，頂石月探測器將從光子上面級頂部分離，獨(dú)自踏上前往月球的低能量轉(zhuǎn)移軌道（也稱彈道式地月轉(zhuǎn)移軌道）。途中頂石月球探測器將打開自帶發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行數(shù)次中途軌道修正確保探測器最終在2022年11月順利抵達(dá)月球NRHO軌道。

新模式的探索

為了應(yīng)對快速增長的地月空間政府或商業(yè)探測任務(wù)造成的地月系“交通堵塞”，除了軌道和操作方面的驗(yàn)證，“頂石”任務(wù)同時(shí)需要驗(yàn)證先進(jìn)空間（Advanced Space）公司為美國宇航局研制的月地自主定位系統(tǒng)CAPS。該系統(tǒng)不依靠地面對環(huán)月軌道飛行器進(jìn)行軌道測算，而是在月球軌道利用探測器進(jìn)行自主定位和導(dǎo)航。

▲ 采用彈道式地月轉(zhuǎn)移軌道的頂石探測器最遠(yuǎn)距離地球約150萬千米，將在發(fā)射后進(jìn)行多次中途軌道修正（TCM），TCM的時(shí)間將依據(jù)實(shí)際飛行需求做調(diào)整而發(fā)生變化，預(yù)計(jì)2022年11月13日抵達(dá)環(huán)月軌道

▲ 北京時(shí)間 2022 年6月28日，電子號火箭從新西蘭瑪西亞半島成功發(fā)射頂石月球探測器

通過多家商業(yè)公司和美國宇航局旗下相關(guān)研發(fā)中心的合作，“頂石”任務(wù)代表的不僅僅是美國宇航局載人重返月球阿爾忒彌斯計(jì)劃的開始，也開啟了一種最大化綜合利用商用和政府資源的新模式，這一快速執(zhí)行的小成本技術(shù)驗(yàn)證任務(wù)在傳統(tǒng)的美國宇航局深空探測任務(wù)里并不多見。該局于2019年和美國科羅拉多州先進(jìn)空間公司簽署價(jià)值 1370萬美元合同，該公司依據(jù)合同開發(fā)立方星，為月球門戶空間站未來使用的環(huán)月NRHO軌道進(jìn)行飛行驗(yàn)證。

頂石探測器展太陽翼展開模式（上）和太陽翼折疊模式（下）

“頂石”的任務(wù)目標(biāo)

驗(yàn)證NRHO軌道的可行性和地月系統(tǒng)高度動(dòng)態(tài)操作

首個(gè)任務(wù)目標(biāo)集中在消除在NRHO軌道繞月的不確定性技術(shù)屏障和展現(xiàn)NRHO軌道特性帶來的益處。這包括展示導(dǎo)航能力和驗(yàn)證長期在NRHO 軌道穩(wěn)定運(yùn)行的能力。這個(gè)任務(wù)積累的操作經(jīng)驗(yàn)將直接支持未來的航天器在這個(gè)獨(dú)特的環(huán)月軌道穩(wěn)定運(yùn)行。月球NRHO軌道處在地月引力平衡點(diǎn)附近，具有較高的軌道穩(wěn)定性，需要極小的軌道維持，是長期月球環(huán)繞器的理想軌道，因而被美國宇航局選為月球門戶空間站的軌道。

為未來月球探測積累經(jīng)驗(yàn)和掃清障礙

“頂石”任務(wù)的第二個(gè)任務(wù)目標(biāo)集中在建立在復(fù)雜環(huán)月軌道探測的運(yùn)行和管理經(jīng)驗(yàn)，這將有效支持未來包括載人登月在內(nèi)的月球探測任務(wù)，降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)并大大提高成功率。這其中包括逐步建立的商業(yè)月球服務(wù)實(shí)施能力的建立，如商業(yè)月球探測平臺和火箭發(fā)射能力。這一目標(biāo)旨在展示美國宇航局和相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速并經(jīng)濟(jì)地實(shí)施月球探測的航天工業(yè)能力。

展示和加速建立月地自主定位系統(tǒng)CAPS

這一任務(wù)目標(biāo)主要集中在在軌驗(yàn)證月球自主定位系統(tǒng)CAPS。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，美國宇航局戈達(dá)德空間飛行中心和先進(jìn)空間公司將聯(lián)手，頂石月球探測器將利用目前正在近月軌道運(yùn)行的月球勘察軌道器進(jìn)行環(huán)月軌道自主定位，并據(jù)此收集的數(shù)據(jù)來提高自主定位系統(tǒng)CAPS 軟件的技術(shù)準(zhǔn)備成熟度，從而加速CAPS的成熟速度并盡快應(yīng)用在未來的探月任務(wù)中。

任務(wù)規(guī)劃軌道

頂石月球探測器使用的是彈道式月球轉(zhuǎn)移軌道，而不是常用的霍曼轉(zhuǎn)移軌道。彈道式地月轉(zhuǎn)移軌道是一種低能量地月轉(zhuǎn)移軌道，它利用地球、月球和太陽三者對探測器的引力來降低燃料的消耗，發(fā)射后需要極小的能量消耗就能抵達(dá)其他行星或者衛(wèi)星，被目標(biāo)星體捕獲時(shí)幾乎不需要能量減速。為了實(shí)現(xiàn)月球彈道式捕獲，探測器發(fā)射后的最遠(yuǎn)距離將遠(yuǎn)高于月球環(huán)繞地球的軌道，在那里，太陽對探測器的引力將起到主導(dǎo)作用，探測器的繞地軌道近地點(diǎn)將被太陽引力抬升至接近月球環(huán)繞地球的軌道，從而在回落時(shí)，不需要消耗大量燃料就可以進(jìn)入環(huán)月軌道。中途需要進(jìn)行小幅軌道修正，小推力發(fā)動(dòng)機(jī)如離子電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)就可完成。

首篇闡述用于探測器的彈道式捕獲理論的相關(guān)論文于1987年發(fā)表。1990年1月24日，日 本 首 個(gè) 月 球探測器飛天號未能按計(jì)劃進(jìn)入遠(yuǎn)地點(diǎn) 47.6萬千米的大橢圓軌道，只達(dá)到了29萬千米。美國加州理工大學(xué)噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的愛德華·貝爾布魯諾和詹姆斯·米勒聽說后設(shè)計(jì)了一條低能轉(zhuǎn)移彈道式捕獲奔月軌道，并于同年6月21日提供給了日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)，被后者欣然接受并最終采納。

貝爾布魯諾和米勒提出的軌控方案基于弱穩(wěn)定邊界理論，只需要探測器自身少量的軌道修正就可以達(dá)到變軌并最終進(jìn)入月球軌道的目的。到了1991年10月2日，“飛天號”采用彈道式轉(zhuǎn)移軌道正式進(jìn)入了月球軌道，并最終于1993年4月10日完成探測任務(wù)之后在地面飛控的指揮下，受控撞擊月球表面。相比于霍曼轉(zhuǎn)移軌道，彈道式月球轉(zhuǎn)移軌道需要花費(fèi)更長的時(shí)間，頂石月球探測器將在發(fā)射后4個(gè)月抵達(dá)月球，而通過霍曼轉(zhuǎn)移軌道前往月球只需要三四天。但是彈道式月球轉(zhuǎn)移軌道將減少推進(jìn)劑的消耗，省下的推進(jìn)劑可以用于提升載荷的質(zhì)量，探測器載荷能力可以提高10%～15%。

▲ 2015年NRHO環(huán)月軌道模擬。左側(cè)為軌跡在地球?yàn)橹行牡奶?地球旋轉(zhuǎn)參考系的軌跡，右側(cè)為以月球?yàn)橹行牡牡厍?月球旋轉(zhuǎn)參考系的軌跡

有驚無險(xiǎn)的通訊故障

7月4日，發(fā)射后第六天，無線電愛好者通過美國宇航局聯(lián)系探測器的深空探測網(wǎng)絡(luò)（DSN）網(wǎng)站發(fā)現(xiàn)，頂石月球探測器停止了通過 DSN 下行信號和數(shù)據(jù)，同時(shí)位于全球三個(gè)地方的該局深空探測網(wǎng)絡(luò)開始利用大型深空天線輪流向探測器發(fā)射上行信號。7月5日，美國宇航局承認(rèn)探測器暫時(shí)失去了聯(lián)系，DSN 沒能接收到頂石探測器的下行信號。7月 6日21時(shí)26分，先進(jìn)空間公司的任務(wù)飛控團(tuán)隊(duì)成功和頂石探測器再次建立了通訊聯(lián)系。7月7日，美國宇航局發(fā)布了通訊故障原因。

地面飛控團(tuán)隊(duì)于7月4日對分離后的頂石探測器進(jìn)行設(shè)置和檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差并試圖調(diào)查原因，在試圖獲取無線電通訊系統(tǒng)的診斷信息時(shí)，地面人員發(fā)送了格式錯(cuò)誤的指令，導(dǎo)致無線電意外關(guān)閉。通常情況下，由于無線電是探測器和地面聯(lián)系的唯一通道，探測器的自我檢測系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)無線電關(guān)閉時(shí)會(huì)按照設(shè)計(jì)立即自動(dòng)重啟無線電，但是頂石探測器自檢系統(tǒng)沒能立即重啟無線電，存在設(shè)計(jì)缺陷。幾天之后，探測器飛控系統(tǒng)終于繞開這個(gè)缺陷，自主打開無線電重新聯(lián)系了地面。在關(guān)閉無線電的兩天時(shí)間里，頂石探測器自主保持了天線對準(zhǔn)地球、保持太陽翼不斷給電池充電，同時(shí)自主使用發(fā)動(dòng)機(jī)消除了反應(yīng)輪積攢的動(dòng)量。反應(yīng)輪是探測器內(nèi)部的轉(zhuǎn)輪，通過旋轉(zhuǎn)來控制探測器的姿態(tài)。

作為首個(gè)進(jìn)入月球NRHO軌道的探測器，抵達(dá)月球之后的頂石探測器，將直接進(jìn)入一個(gè)近月點(diǎn)在月球北極上方3000千米，遠(yuǎn)月點(diǎn)在月球南極上方7萬千米，周期7個(gè)地球日的 NRHO 軌道，并計(jì)劃在軌開展軌道維持以及利用近月軌道上的月球勘察軌道器進(jìn)行月球自主導(dǎo)航定位試驗(yàn)。近直線意味著軌道的部分分段相對于大橢圓軌道具有更大曲率，而在別的分段又有更小的曲率。頂石探測器計(jì)劃在月球NRHO軌道工作半年。其后工作如何，讓我們拭目以待。