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(wù)。由日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)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(gè)著陸月球的探測器。自1972年阿波羅17號飛船返回地球后，時(shí)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(wù)……下面讓我們來了解一下今年中國、美國和日本已經(jīng)實(shí)施和即將實(shí)施的探月任務(wù)。

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(wù)、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(jiān)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(wù)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和國際月球科研站建設(shè)。

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(yùn)載火箭順利發(fā)射?；鸺w行24分鐘后，星箭分離，鵲橋二號中繼星進(jìn)入預(yù)定地月轉(zhuǎn)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(wù)取得圓滿成功。鵲橋二號將架設(shè)地月新“鵲橋”，建立對地中繼通信鏈路，實(shí)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(wù)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(yùn)載火箭發(fā)射。此次任務(wù)將突破月球逆行軌道設(shè)計(jì)與控制、月背智能采樣和月背起飛上升等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)施月球背面自動采樣返回，同時(shí)開展著陸區(qū)科學(xué)探測和國際合作。嫦娥六號將執(zhí)行為期53天的探測任務(wù)，預(yù)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(jià)值。通過此次月球采樣，能夠?qū)δ蠘O—艾特肯盆地的整體演化過程進(jìn)行研究，有助于解釋該盆地重力異常、化學(xué)異常等相關(guān)科學(xué)問題，發(fā)現(xiàn)并采集不同地域、不同年齡的月球樣品，增進(jìn)人類對月球的認(rèn)知。 值得一提的是，嫦娥六號探測器還搭載了4個(gè)國際科研載荷，分別為歐洲航天局研制的月表負(fù)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(xué)任務(wù)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(jī)理，進(jìn)而實(shí)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(wù)項(xiàng)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(wù)（CLPS）項(xiàng)目計(jì)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(xiàng)目旨在使用固定價(jià)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(wù)，通過商業(yè)合同運(yùn)輸服務(wù)的方式把小型探測器和月球車送到月球南極地區(qū)。該項(xiàng)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(shí)促進(jìn)相關(guān)商業(yè)月球探測行業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展。該項(xiàng)目的主要任務(wù)和目的是探明月球資源，測試原位資源利用，并進(jìn)行月球科學(xué)考察以支持阿爾忒彌斯載人登月計(jì)劃。

CLPS項(xiàng)目第一次任務(wù)原計(jì)劃于2020年執(zhí)行，但受到技術(shù)、預(yù)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(wù)是進(jìn)行硬件方面的技術(shù)示范，如精確著陸、避險(xiǎn)、發(fā)電、低溫流體管理、自動駕駛、測試原位資源利用和機(jī)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(yù)計(jì)將有效載荷運(yùn)送到月球表面的費(fèi)用約為100萬美元每千克，但實(shí)際價(jià)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(yùn)載火箭執(zhí)行首次探月發(fā)射任務(wù)，成功將游隼號月球著陸器（簡稱游隼號）送入預(yù)定軌道。火神運(yùn)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(yùn)載火箭（首枚為中國的朱雀二號遙二運(yùn)載火箭）。游隼號是自1972年阿波羅17號載人登月任務(wù)結(jié)束以來，美國首個(gè)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(wù)進(jìn)行配置，預(yù)計(jì)可在月球工作14天。其推進(jìn)系統(tǒng)由5臺推力為667牛的發(fā)動機(jī)構(gòu)成，可供著陸器進(jìn)行地月轉(zhuǎn)移、軌道修正、月球捕獲和落月期間的動力下降，最終實(shí)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(jī)。

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

游隼號實(shí)際是一個(gè)“載體”，用于向月球表面運(yùn)送科學(xué)載荷（能夠運(yùn)送約265千克重的載荷）。此次探月任務(wù)中，游隼號搭載了來自美國、德國和墨西哥的各類科學(xué)載荷，包括激光后向反射器陣列、線性能量轉(zhuǎn)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(jì)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(shí)后，美國航天機(jī)器人技術(shù)公司報(bào)告稱其推進(jìn)系統(tǒng)可能存在問題，導(dǎo)致太陽能電池板無法有效獲得太陽光，因此游隼號進(jìn)行了一次計(jì)劃外的機(jī)動—將太陽能電池板轉(zhuǎn)向太陽。隨后的分析認(rèn)為，游隼號的推進(jìn)劑正在不斷泄漏，并可能在40小時(shí)后全部消耗完。最終，美國航天機(jī)器人技術(shù)公司確認(rèn)，游隼號已無法登月。發(fā)射6天后，公司決定引導(dǎo)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(jī)器公司設(shè)計(jì)，也是NASA為CLPS項(xiàng)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(jìn)劑發(fā)動機(jī)提供動力，著陸后，它也可以通過發(fā)動機(jī)進(jìn)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(wù)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(xiàng)目第二次任務(wù)。2024年2月15日，獵鷹九號運(yùn)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(gè)來自美國各科研機(jī)構(gòu)和高校的科學(xué)載荷，主要進(jìn)行射電天文學(xué)、月表空間天氣和通信以及導(dǎo)航能力等科學(xué)實(shí)驗(yàn)，計(jì)劃在月球表面活動約1周。雖然發(fā)射當(dāng)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(jī)，并進(jìn)行了多次點(diǎn)火以調(diào)整軌道，最終順利進(jìn)入月球軌道。北京時(shí)間2024年2月23日凌晨，奧德修斯號正常進(jìn)入落月程序，成為1972年阿波羅17號之后首個(gè)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(dá)無法工作；落月速度過快使得兩根著陸腿因受損而折斷，進(jìn)而導(dǎo)致著陸器傾倒在月球上；不佳的著陸姿態(tài)直接導(dǎo)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(jié)束了月球探測任務(wù)。

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

藍(lán)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(fēng)化層的特性、地球物理特征以及太陽風(fēng)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(zhǔn)備。

蝰蛇月球車全稱極地?fù)]發(fā)物探索探測車，計(jì)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(yùn)行約100天。它的科學(xué)任務(wù)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(jì)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(yù)定程序進(jìn)入月球軌道，并使用搭載的14臺科學(xué)儀器對月球開展了為期一年半的觀測任務(wù)。在順利完成各項(xiàng)任務(wù)并取得一系列科學(xué)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(jié)束了日本首次月球探測任務(wù)。

日本民營航天公司iSpace在2022—2023年進(jìn)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(jìn)入月球軌道，并于2023年4月26日進(jìn)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(jì)出現(xiàn)了故障。根據(jù)預(yù)設(shè)著陸程序，著陸器應(yīng)該在位于月面上方一定高度時(shí)關(guān)閉主發(fā)動機(jī)，然后使用輔助發(fā)動機(jī)緩慢下降直至落月；然而，高度計(jì)故障導(dǎo)致著陸器提前耗盡了發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑，最終直接墜向月面。日本首次落月嘗試就此宣告結(jié)束。

由日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）研制的智能月球著陸器（SLIM）進(jìn)行了日本第二次落月嘗試。2023年9月7日上午，H-2A運(yùn)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(jìn)入月球軌道。經(jīng)過4個(gè)多月的飛行，2024年1月19日下午，SLIM進(jìn)入落月程序；1月20日凌晨，SLIM到達(dá)距離月面約15千米的停泊高度，準(zhǔn)備緩緩降低高度并落月。但就在距離月面僅約50米高時(shí)，SLIM兩臺主發(fā)動機(jī)中的一臺出現(xiàn)故障，導(dǎo)致總推力下降約一半，最終SLIM“倒栽”落在月面，距目標(biāo)著陸點(diǎn)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(gè)成功登陸月球的國家。SLIM僅用于驗(yàn)證日本精確月球著陸技術(shù)，并未搭載科學(xué)載荷。其搭載的兩個(gè)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(rèn)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(shí)，SLIM關(guān)閉電源，進(jìn)入了休眠狀態(tài)。1月28日，隨著太陽運(yùn)轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)變，SLIM的太陽能電池板獲得了一定電量，SLIM重新恢復(fù)工作。1月31日，SLIM再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。2月25日，經(jīng)受住月夜低溫考驗(yàn)的SLIM，恢復(fù)了與地面的通信。3月1日，SLIM又進(jìn)入休眠狀態(tài)。3月27日，它重新恢復(fù)工作，再次與地面進(jìn)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(wù)……2024年也是人類探月新的起點(diǎn)：美國商業(yè)月球有效載荷服務(wù)的一系列月球探測器將為阿爾忒彌斯3號載人登月任務(wù)做好“探路”準(zhǔn)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(xì)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(zé)任編輯】諶 燕