“自阿波罗计划以来一切都变了”：为什么在2024年登陆月球仍然非常困难

汪雨甘捍

日本的Hakuto-R着陆器在2023年4月撞上月球表面前几天拍摄了这张惊人的地球和月球地平线照片。（图片来源:ispace）

（）据美国生活科学网站（Sharmila Kuthunur）：周四（2月22日），一艘名为“奥德修斯”的电话亭大小的航天器创造了历史。美国东部时间下午6点23分，总部位于休斯顿的直觉机器公司制造的奥德修斯号在月球南极着陆，成为50多年来第一个在月球着陆的美国着陆器，也是第一个到达月球表面的私人着陆器。

但这次成功着陆远非完美无缺。着陆后几天，奥德修斯在着陆时摔断了六条腿中的一条，最终侧翻在地。2月29日，由于到达着陆器太阳能电池的能量有限，工程师们关闭了着陆器的电源，这可能是永久性的。

奥德修斯的挑战加剧了登月困难的趋势，此前9次登月尝试中有5次都以不同国家和私营公司的失败告终。

几周前的1月19日，日本用于调查月球的智能着陆器（SLIM）航天器成功完成了该国的首次登月——尽管由于下降过程中的发动机故障而最终在月球表面颠倒。不平衡的着陆器的太阳能电池朝向错误的方向，无法为仪器和通信提供动力，迫使工程师因担心电池放电而将其关闭。就在斯利姆着陆前10天，一艘名为Peregrine的美国私人登月飞船在发射后遇到了许多异常情况，包括推进剂泄漏，导致飞船无法在月球上着陆。它最终改变路线坠入地球大气层。日本和俄罗斯在2023年进行的其他登月尝试同样以灾难性的坠毁告终，这一次是在月球上。

只有五个国家的政府资助的太空机构成功登陆过月球:美国、前苏联、中国、印度和日本。到目前为止，只有一家私营公司（Intuitive Machines）取得了成功，由于技术故障导致对速度、高度和方向的致命判断，几次备受瞩目的任务都失败了——这清楚地提醒我们，即使在阿波罗宇航员登月半个世纪后，我们最接近的天体邻居仍然是一个充满挑战和危险的目的地。

那么，怎么回事？人类在登月时变坏了吗？或者我们只是在努力应对一个技术进步的新时代，就像阿波罗任务背后的团队所做的那样？

“自从阿波罗登月以来，我们并没有变得更笨，”墨尔本佛罗里达理工大学物理学和空间科学教授Csaba Palotai告诉《现场科学》。今天的技术明显更好；你的手机比20世纪70年代的电脑计算能力更强。“但自70年代以来，着陆器上就没有宇航员和飞行员来纠正计算机不能或不愿纠正的问题，”帕洛泰补充说。



日本的斯利姆着陆器实现了月球历史上最精确的着陆——然而，它是颠倒着陆的，电池寿命只有几个小时。（图片来源:JAXA/Takara Tomy/索尼集团公司/同志社大学）

（再次）展示技术

不管有没有人类飞行员，登陆月球都很困难。

一个主要障碍是月球几乎没有大气层。帕洛泰说，月球大气非常稀薄，并随时间变化，这使工程师无法将降落伞用于减缓航天器的速度。相反，任务使用燃料动力推进系统下降到月球表面，使航天器从每秒几公里的速度减速到完全停止具有挑战性。

然而，这一挑战和其他探月挑战并不新鲜。

虽然阿波罗计划最终成功地将人类送上了月球，但这是一个在成功的道路上多次失败的大型计划的高潮。美国和苏联早期试图将航天器飞向月球的尝试屡遭失败，包括发射后爆炸、制导系统故障和太阳能电池板部署的致命错误。即使是将宇航员尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥德林送上月球的历史性阿波罗11号任务，也令人担忧地燃料不足，并在即将登陆月球之前面临多个意外警报。

科罗拉多大学博尔德分校由美国国家航空航天局资助的探索和空间科学网络主任杰克·伯恩斯说:“人们往往会忘记那些任务失败，因为这是学习过程的一部分。”这个体验式学习的平台就是登月计划，尤其是越来越多的私人资助的登月计划。他说:“登陆月球仍然很困难，但远非不可能。

伯恩斯和其他专家一致认为，自阿波罗计划以来，几乎一切都发生了变化，包括20世纪60年代和70年代将人类送上月球并返回的过时技术。阿波罗计划的工程师们制造了他们那个时代的第一台计算机，其中包括比原来尺寸小得多的传感器。为阿波罗计划定制的许多软件和架构实际上对今天的太空任务毫无用处。

此外，“在这一点上，整个一代人都退出了这个行业，许多知识已经丢失了，”总部位于匹兹堡的Astrobotic Technology的首席执行官约翰·桑顿说，该公司建造并运营了Peregrine。“我们正在重新学习如何做到这一点，但我们也在学习新的不同技术。”

在人类最后一次在月球上行走半个世纪后，在新一代工程师的推动下，规模小于美国国家航空航天局的组织已经接受了过去只有政府才能完成的相同挑战。帕洛泰、桑顿和伯恩斯将最近的登月任务失败视为一个新行业的自然发展。

彭斯说:“就我个人而言，我并不担心。“这只是成长烦恼的一部分。”



当俄罗斯的月球25号探测器于2023年8月19日撞上月球时，它留下了一个33英尺宽（10米）的撞击坑，这是美国国家航空航天局的月球勘测轨道飞行器看到的。（图片来源:美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心/亚利桑那州立大学）

为负担得起的登月任务铺平道路

虽然技术问题会影响任务的结果，但资金决定了发射前为降低风险而进行的软件和硬件测试的程度。

“如果我们有10亿美元来完成这项任务，我们成功的机会将大大增加，”桑顿在谈到注定失败的百富勤时说，其任务失败调查预计将持续一两个月。“但我们试图以低得多的成本做到这一点，这意味着你必须尝试更多次才能达到突破性的时刻，‘好吧，现在我们确切知道如何在这个价位做到这一点。让我们一次又一次地坚持下去。"

早在20世纪60年代和70年代，在美国和苏联太空竞赛的白热化阶段，阿波罗计划是美国国家航空航天局工作的关键，航天局做同样的事情所需的预算是目前的10倍。1960年至1973年间，美国国家航空航天局在阿波罗计划上花费了258亿美元（经通胀调整后为2570亿美元），得到了美国联邦预算总额近5%的支持。

相比之下，美国国家航空航天局现在得到的联邦支出还不到全国总支出的0.5%，这笔预算还用于资助登月以外的任务。

“这改变了一切，”桑顿说。当时，美国国家航空航天局可以开发耗资数百亿美元的东西。相比之下，如今该行业正试图以约1亿美元的价格建造航天器，这是一个负担得起的价格，对日常飞行至关重要。这个问题与阿波罗时代的问题有着根本的不同。桑顿说:“要学会如何在那个价位做到这一点需要时间。

英国莱斯特大学天体物理学和空间科学教授马丁·巴斯托在接受《科学直播》采访时表示，降低任务成本也增加了失败的风险，至少在一开始是这样。巴斯托补充说，因此“如果其中一些东西不起作用，我们不应该太惊讶。”



奥德修斯着陆器在2024年2月前往月球时拍摄的地球鱼眼相机图像。（图片来源:直觉机器）

第一次商业胜利

奥德修斯飞船于2月22日成功着陆，标志着商业航天业取得了可喜的突破。

着陆器（绰号“欧弟”）向月球运送了12个有效载荷，包括6个美国国家航空航天局科学仪器。为此，航天局通过其商业月球有效载荷服务项目（CLPS）向直觉机器公司支付了1.18亿美元，该项目旨在授予私营公司将实验送往月球的合同，而不是由美国国家航空航天局自己进行。（美国国家航空航天局登月计划每次耗资高达10亿美元。)

作为同一个CLPS计划的一部分，Astrobotic计划在今年11月发射其第二个机器人月球着陆器Griffin和一辆寻找水的漫游车。