美國登月計劃接連推遲，重返月球為何這么難？

“游隼”號任務(wù)失敗意味著美國的重返月球計劃階段性受阻，整體計劃進(jìn)程被迫推遲。與阿波羅計劃不同，本次登月計劃將主要依靠商業(yè)力量實現(xiàn)登月，美國官方機(jī)構(gòu)則承擔(dān)發(fā)包方的角色。而此次受挫，凸顯出將重返計劃全部押注在商業(yè)公司上的潛在風(fēng)險。

撰文 | 李賢煥

美國登月計劃沒能收獲2024年的開門紅。當(dāng)?shù)貢r間1月8日，承載著美國重返月球愿景的著陸器“游隼”號（Peregrine）在發(fā)射進(jìn)入太空后不久，出現(xiàn)推進(jìn)劑泄漏，已經(jīng)確定無法抵達(dá)月球。這個耗資1.08億美元、搭載著數(shù)個科學(xué)探測儀器、人類骨灰的航天器將迎來最終結(jié)果：墜入地球大氣層。

這也是首次有美國私營企業(yè)嘗試登陸月球——“游隼”號的研制方為Astrobotic公司。在重啟登月計劃之后，美國官方出資將各階段的任務(wù)拆解交由各路商業(yè)航天公司承接，依靠商業(yè)力量實現(xiàn)登月。

作為美國50年來首次嘗試在月球上軟著陸——1972年12月阿波羅計劃17號任務(wù)中的三名宇航員離開月球——“游隼”號任務(wù)失敗意味著美國的重返月球計劃階段性受阻，環(huán)環(huán)相扣的登月計劃也因此推遲進(jìn)程。

火箭發(fā)射瞬間。來源：ULA

此次受挫也凸顯出，將重返計劃全部押注在商業(yè)公司上的潛在風(fēng)險。本文我們將從“游隼”號任務(wù)講起，深入解析美國時隔半個多世紀(jì)后的登月計劃與當(dāng)年阿波羅計劃的異同，以及商業(yè)力量捆綁了國家任務(wù)時，新模式帶來的新優(yōu)勢和不確定性。

私營公司撐起的登月計劃

商業(yè)力量支撐的登月敘事開始于6年前。

2017年12月，時任美國總統(tǒng)特朗普在白宮簽署太空政策指令，宣布美國宇航員將重返月球，并最終前往火星。

美國國家航空航天局（NASA）將新的登月計劃命名為阿爾忒彌斯（Artemis），源自希臘神話中的月亮女神與狩獵的象征。這一名稱與美國上一代月球探測項目阿波羅計劃（Project Apollo）遙相呼應(yīng)——在希臘神話中，阿爾忒彌斯正是阿波羅的孿生姐姐。

不同于阿波羅計劃，這次登月的目的遠(yuǎn)不只是在月球表面踩個腳印、插根旗子。阿爾忒彌斯計劃的終點不是月球，而是以月球為起點，前往更遠(yuǎn)的星球；更重要的是，在實現(xiàn)路徑上，NASA不再是包辦全程的機(jī)構(gòu)，而是作為政府發(fā)包方提出各種需求，在一眾商業(yè)公司、大學(xué)實驗室里選擇承包商。因此對商業(yè)航天公司來說，NASA只是眾多客戶中的一個，甚至任務(wù)過程中還可順手運輸其他商業(yè)貨物。

阿爾忒彌斯計劃第一階段。來源：NASA

作為龐大工程的一小部分，在登月這個細(xì)分階段，NASA通過商業(yè)月球荷載服務(wù)（CLPS，Commercial Lunar Payload Services）最初選定了9家公司，共同競爭數(shù)十億美元的合同。NASA 付錢給私營公司，讓他們把科學(xué)儀器送到月球表面并進(jìn)行探測。如果計劃成功，NASA將把未來的載人登月任務(wù)外包給私營公司ーー就像是一個更加復(fù)雜的星際外送服務(wù)。

這次發(fā)射是CLPS計劃中的開門任務(wù)，按照計劃后續(xù)的登月任務(wù)還有至少9個，把來自5家公司的不同設(shè)備送上月球表面。事實上，從火箭到飛船，再到登月器，NASA已經(jīng)和13家美國航天企業(yè)建立了合作，背后的上游供應(yīng)商數(shù)量超過了3000個。

而近期的美國月球發(fā)射任務(wù)都是各家公司的練兵場和可靠性考試。

雖然“游隼”號未能完成任務(wù)，但在發(fā)射階段，執(zhí)行任務(wù)的是聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）設(shè)計的新型火箭“Vulcan”的首次試飛，這枚由洛克希德·馬丁和波音合資企業(yè)開發(fā)的火箭也正要通過此次發(fā)射來獲得國防部的認(rèn)證。

“游隼”號月球著陸器。

參與任務(wù)的還有另一家明星航天企業(yè)、貝索斯創(chuàng)立的藍(lán)色起源。Vulcan火箭搭載著兩臺由藍(lán)色起源開發(fā)的BE-4火箭發(fā)動機(jī)，該型發(fā)動機(jī)歷經(jīng)多年開發(fā)，這回是首次執(zhí)行正式飛行任務(wù)。藍(lán)色起源還計劃今年首次試飛搭載多臺BE-4發(fā)動機(jī)的“New Glenn”火箭。

發(fā)射臺上的Vulcan。來源：ULA

后續(xù)的任務(wù)也很密集。另一家名為Intuitive Machines的公司已經(jīng)計劃好在2月中旬首次發(fā)射自家月球著陸器，屆時，任務(wù)發(fā)射階段將使用SpaceX的獵鷹9號火箭。有趣的是，Intuitive Machines計劃在2月22日或之前著陸月球（比“游隼”號原計劃的著陸日還早一天），如果能夠?qū)崿F(xiàn)，它將成為第一個在月球著陸的商業(yè)公司。

下一階段的月球任務(wù)——載人繞月飛行——也在同步準(zhǔn)備當(dāng)中。四名分別來自美國和加拿大的宇航員早已做好了準(zhǔn)備，只是他們將要搭乘的“獵戶座”太空船（由洛克希德·馬丁公司和空中客車共同研發(fā)）尚未通過完整測試，目前飛行計劃從2024年推遲到了2025年。

與此同時，SpaceX仍在測試其Starship火箭和宇宙飛船，這個有史以來第一艘可完全復(fù)用的重型運載火箭，至今還沒能完成入軌發(fā)射，而NASA已經(jīng)計劃拿它來執(zhí)行前兩次正式的人類登月任務(wù)。

阿爾忒彌斯計劃的一再延期，以及此次任務(wù)失敗，都凸顯了這個曾經(jīng)登上月球的國家所面臨的新困難。

時隔半個世紀(jì)，美國的登月計劃有什么不同？

“游隼”號任務(wù)的失敗，必然會影響環(huán)環(huán)相扣的登月計劃，由此延伸出來一個直觀的問題：為什么美國在半個多世紀(jì)前就一舉登上了月球，但后來再也沒回去？甚至新一輪的計劃還會面對如此多困難和不確定性。

按理來說，把阿波羅計劃的“土星5號”火箭和阿波羅太空艙的圖紙拿來重新造一遍，并沒有太大的技術(shù)問題。但美國并不想重復(fù)阿波羅計劃。曾經(jīng)的阿波羅計劃把人類送上了月球表面，同時推動了大規(guī)模的技術(shù)創(chuàng)新，包括計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、材料科學(xué)等；而在阿耳忒彌斯計劃里，月球只是一個中轉(zhuǎn)站，全面復(fù)制阿波羅計劃根本行不通。

“土星五號”發(fā)射升空。來源：維基百科

首先是兩者目標(biāo)不同。

阿波羅計劃的登月區(qū)域主要位于月球表面的赤道附近，后來這片區(qū)域也被稱為“阿波羅登月區(qū)”。具體來說，阿波羅計劃中的六次登月任務(wù)都位于月球的赤道附近或接近赤道的地區(qū)。這樣的選擇是確保在各種光照條件下，太陽能電池能夠提供足夠的能源供應(yīng)。

阿爾忒彌斯計劃的主要目標(biāo)之一是在月球上建立可持續(xù)的人類基地，甚至以此為中轉(zhuǎn)站前往更遠(yuǎn)的深空，因此新的登月任務(wù)把目標(biāo)放在了月球南極，南極地區(qū)被認(rèn)為是月球上最有可能存在水冰的區(qū)域，不管是對于人類居住還是未來深空探索，月球水資源對提供飲用水和燃料（分解為氫氣和氧氣）都至關(guān)重要。也正因此，NASA計劃最早在今年下半年向月球發(fā)送冰鉆探測車，后續(xù)的人類宇航員登月任務(wù)之一也是尋找水資源。

阿波羅11號任務(wù)。來源：NASA

更重要的因素是經(jīng)濟(jì)成本和安全風(fēng)險。

阿波羅計劃誕生于美蘇軍備競賽時期，最早提出于1960年，開始時并未獲批。直到次年4月，蘇聯(lián)宇航員加加林乘坐“東方1號”飛船成功進(jìn)入太空，成為世界上第一位太空人。受此刺激，時任美國總統(tǒng)肯尼迪于一個月后正式宣布了阿波羅計劃。

阿波羅計劃登月任務(wù)充滿巨大風(fēng)險，更像是在登月競賽中孤注一擲的“賭局”。在1968年到1972年期間，NASA共進(jìn)行了9次載人月球任務(wù)，其中6次成功著陸，12名宇航員成功登上月球表面。

成功之下是一系列致命的風(fēng)險和事故。比如著名的“阿波羅1號”事故發(fā)生在地面測試階段，突發(fā)大火導(dǎo)致3名宇航員喪生；“阿波羅11號”任務(wù)中，盡管阿姆斯特朗成功踏上月球，但在返回地球時遭遇點火開關(guān)故障；此外，阿波羅12號、13號、15號等任務(wù)也都經(jīng)歷了重大事故。

除了安全代價 ，阿波羅計劃的巨額成本開支也是其他項目難以企及的。該計劃總花費達(dá)255億美元，相當(dāng)于當(dāng)年美國GDP的0.57%，占據(jù)當(dāng)時美國整體科技研究發(fā)展經(jīng)費的20%，這筆花費折算到近年已經(jīng)超過了1500億美元。

對于如今的NASA而言，已不再擁有像阿波羅計劃那樣的無限資金和全力支持；也無法容忍高風(fēng)險，他們必須明晰地評估每個項目的風(fēng)險，比如NASA會計算每一個組件的確切故障率，并評估每個部件、子部件和系統(tǒng)故障所涉及的風(fēng)險。

在這一背景之下誕生的阿爾忒彌斯計劃，則被視為一個可持續(xù)的項目：能夠以更為經(jīng)濟(jì)的成本、更先進(jìn)的技術(shù)以及更加安全的方式抵達(dá)月球。

據(jù)美國審計部門預(yù)計，NASA將在2025年之前投入930億美元用于開發(fā)登月任務(wù)所需的各項開發(fā)。不過，如果一系列任務(wù)無法按時完成，后續(xù)花費還將進(jìn)一步上升。

盡管阿爾忒彌斯計劃目前在成本和研發(fā)周期上并沒有數(shù)量級上的優(yōu)勢，但引入商業(yè)競合模式將會帶來巨大的改進(jìn)機(jī)遇。與幾乎不可能降低成本的阿波羅計劃相比，阿爾忒彌斯計劃在技術(shù)創(chuàng)新和重復(fù)使用方面表現(xiàn)更為可靠，項目持續(xù)時間越長，成本也將相應(yīng)下降。SpaceX、藍(lán)色起源等“鯰魚”的參與，或許能夠讓NASA在大幅節(jié)約成本的同時，真正實現(xiàn)這場冒險的最終目標(biāo)：先去月球，再到火星。

在月球上建立人類居住地示意圖。來源：NASA

商業(yè)登月風(fēng)險漸露

NASA依賴商業(yè)力量推進(jìn)航天項目，看中的是私營公司充分的靈活性和資金利用效率帶來的顛覆性效果——就像SpaceX大幅降低了火箭和衛(wèi)星制造的成本。而在實現(xiàn)這一目標(biāo)之前，技術(shù)的迭代和成本的降低也是建立在失敗和試錯的基礎(chǔ)之上——就像SpaceX早期也是在接連的失敗中提升了航天器的可靠性。

況且登月從來就是一件任務(wù)失敗率頗高的事業(yè)。事實上，在“游隼”之前，由私營公司執(zhí)行的登月任務(wù)都以失敗告終。2019年4月，由私營公司SpaceIL和以色列航空航天工業(yè)公司聯(lián)合打造的登月器“創(chuàng)世紀(jì)”號（Beresheet）在嘗試著落月球過程中失聯(lián)后墜毀；2023年4月，日本商業(yè)航天公司ispace的登月器同樣在嘗試軟著陸時失聯(lián)，最終墜毀。

私營公司更注重對成本的控制，在這樣的前提下，失敗的風(fēng)險會變得更大，未來還會有更多任務(wù)將以失敗告終。歐洲航天局月球探測小組負(fù)責(zé)人尼科?德特曼（Nico Dettmann）在評論“游隼”任務(wù)時表示，這些企業(yè)都是相對較新的，失敗可以理解，企業(yè)會從失敗中吸取教訓(xùn)，最終實現(xiàn)成本降低。但不可否認(rèn)的是，最初的幾個任務(wù)可能會崩潰。

可見，效率、成本和可靠性，在美國登月計劃中成為了不可能同時達(dá)到的三個要素。試圖借助商業(yè)力量的NASA，也正在接受計劃不斷推遲的弊端。

NASA局長比爾·納爾遜在近期的一場新聞發(fā)布會上表示，“阿耳忒彌斯2號”任務(wù)推遲到2025年9月，其原本計劃在2024年年底安排4名宇航員完成繞月飛行；而將宇航員送上月球表面的“阿耳忒彌斯3號”任務(wù)也會延期1年，從最早2025年推遲到2026年9月。

登月器效果圖。來源：NASA

這凸顯了NASA依賴私營公司這一戰(zhàn)略的風(fēng)險：登月時間表正在失控。當(dāng)任務(wù)被分配給不同的公司，進(jìn)度就更加難以被NASA掌控，況且工程任務(wù)本身具有一定失敗概率，因此過程中每一次任務(wù)失敗或是進(jìn)度落后都會影響整個計劃的進(jìn)行。且當(dāng)有數(shù)十家公司參與其中時，意外就難免會出現(xiàn)。

比如，按照計劃，“游隼”并不是第一個前往月球的航天器。此前一家名為Masten Space Systems的商業(yè)航天公司拿下了NASA的合同，為后者開發(fā)一個月球著陸器，并計劃于2023年11月發(fā)射。

但NASA的資助也沒能讓這家公司順利活到計劃的時間點，公司于2022年下半年申請破產(chǎn)，后來主要資產(chǎn)被Astrobotic公司收購。這也直接導(dǎo)致原本的發(fā)射任務(wù)取消。而在此次“游隼”發(fā)射任務(wù)中，原本還有另外五個荷載要和它一同前往月球，但在發(fā)射前的著陸器調(diào)整中，將荷載放到了后續(xù)的登月任務(wù)中。

而對美國登月計劃來說，超長的時間周期本身也是風(fēng)險之一。

每年，美國國會都會通過年度撥款法案，確定NASA的具體預(yù)算數(shù)額，所以NASA局長最重要的任務(wù)之一就是說服總統(tǒng)和國會更加重視航天任務(wù)，批出更多的錢。因此，國會及在任總統(tǒng)對于NASA的支持程度至關(guān)重要。

在阿耳忒彌斯計劃之前，時任總統(tǒng)奧巴馬傾向于將重點放在火星上，即不去月球，直接將人類宇航員送上火星。而繼任的特朗普政府支持了現(xiàn)有的方案，并成功建立阿爾忒彌斯計劃。

特朗普時期的NASA局長（由特朗普提名）Jim Bridenstine就曾表示，NASA加速登月計劃的進(jìn)度，就是為了防止政客們哪天又突然改變了主意，導(dǎo)致計劃流產(chǎn)。甚至他們還將登月時間從最初設(shè)定的2028年大幅提前到了2024年。這個時間點也相當(dāng)微妙：若特朗普在2020年大選獲勝，登月計劃就能在他任期內(nèi)最后一年踩線完成。

但計劃沒能成行。一方面阿耳忒彌斯計劃進(jìn)度接連推遲，另一方面特朗普也未能連任，拜登在2020年入主白宮，Jim Bridenstine隨即離職。好在拜登政府仍延續(xù)了對阿耳忒彌斯計劃的支持，近年來NASA的預(yù)算仍在持續(xù)增長，但在如此機(jī)制下，長期的不確定性將難以抹除。

焦慮也由此加劇。與計劃推進(jìn)中的不確定性相比，外部的競爭壓力是確定的、從未減少過的。全球范圍內(nèi)，新一輪的登月競賽已經(jīng)開啟，除了日本、以色列和印度為代表的非傳統(tǒng)航天強(qiáng)國已經(jīng)向月球發(fā)起嘗試，俄羅斯也發(fā)力在登月領(lǐng)域展現(xiàn)自己的實力，更重要的是中國的登月計劃仍在以穩(wěn)健的姿態(tài)持續(xù)推進(jìn)。

作為唯一一個曾經(jīng)把人類送上月球的國家，重啟登月的美國會如何甩掉歷史的包袱，展現(xiàn)商業(yè)航天時代的登月實力？航天界仍在期待新的驚喜。

參考鏈接

[1] https://www.nature.com/articles/d41586-023-04064-5

[2] https://www.theguardian.com/science/2024/jan/12/why-landing-on-the-moon-is-proving-more-difficult-today-than-50-years-ago

[3] https://www.washingtonpost.com/technology/2024/01/07/moon-landing-2024-nasa-astrobotic-intuitive-machines/

[4] https://www.reuters.com/science/moon-race-with-china-us-setbacks-test-role-private-firms-2024-01-12/

[5] https://www.wsj.com/science/space-astronomy/nasa-moon-landings-2024-9103f9ad?mod=WTRN_pos1&cx_testId=3&cx_testVariant=cx_160&cx_artPos=0

本文受科普中國·星空計劃項目扶持

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

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