美國首次“重返月球”失敗背后

霍思伊

美國時隔52年的首次“重返月球”任務失敗了。

當地時間2024年1月8日2點18分，搭載著“游隼”號（Peregrine）月球著陸器的“火神半人馬座”火箭，在美國佛羅里達州卡納維拉爾角太空軍基地發射升空。這晚天氣很好，發動機燃燒甲烷時產生的深藍色火焰在夜空中仿佛被點亮的流星尾巴。

但發射數小時后，“游隼”號的推進系統內部發生故障，造成推進劑泄漏，導致航天器動力不足。“游隼”號飛行32小時后，這一著陸器的研發制造公司太空機器人（Astrobotic）就宣布：“不幸的是，在月球上著陸已經不可能了。”

無論從哪個角度而言，此次發射都意義非凡。對美國來說，“游隼”號是自1972年最后一次“阿波羅任務”結束以來發射的第一個月球著陸器，也是美國第一次商業登月發射。同時，這是美國國家航空航天局（NASA）為重返月球的“阿爾忒彌斯計劃”派出的第一個先遣隊。

在發射失敗的消息傳來后，不出意外的是，NASA宣布載人登月任務推遲到2026年9月。Astrobotic首席執行官約翰·桑頓說：“這次發射，更多的是關于行業的成功，不僅是任何特定任務。”

在太空中運行了6天零16小時后，原本計劃“重返月球”的“游隼”號，正在“重返地球”。

當地時間2024年1月14日晚上，Astrobotic對它的結局發出了最新預告：“我們做出了艱難的決定，維持當前航天器的軌道以重新進入地球大氣層，它將會在大氣層中燃燒。”此時，“游隼”號已經到達了距離地球約376587公里的地方。

最初，一切都很完美，發射約50分鐘后，“游隼”號向月球進發，但在約6小時后，Astrobotic宣布，航天器出現“推進異常”，無法進行姿態控制，即太陽能電池板無法調整到正確角度以順利充電，盡管該問題很快通過更新控制算法得到解決，但“推進系統內的故障”隨后導致了推進劑的嚴重泄漏。對登月飛行而言，這是一個致命的問題，泄漏將造成燃料提前消耗殆盡，使航天器沒有足夠動力前往月球。

國際宇航聯空間運輸委員會副主席楊宇光對《中國新聞周刊》解釋說，對月球著陸器而言，姿態控制非常關鍵，因為只有通過姿態控制使太陽能電池板對準太陽，才能有效充電，獲得電力。而“游隼”號的姿態控制主要依靠推進系統，這也意味著，當推進劑用光后，姿態就會失控，航天器“很快會因沒電而死掉”。

人類登月的旅程從來伴隨著困難和意外。目前，只有12個人曾踏上過月球表面，最后兩位是1972年乘坐美國阿波羅17號登上月球的指令長尤金·塞爾南和駕駛員哈里森·施密特，他們在月球表面足足待了22小時4分鐘，從航天器向外走了7.6公里。此后，再沒有一架載人航天器飛向這個“離我們最近的鄰居”。

直到最近幾年，人類又重燃了對月球的興趣。NASA提出了重返月球的“阿爾忒彌斯計劃”；中國“嫦娥五號”在2020年12月攜帶月球表面樣本重返地球；2023年，印度“月船三號”在月球南極表面軟著陸，成為繼蘇聯、美國和中國之后，世界上第四個成功登月的國家。但更多的是失敗，同樣在去年，日本、俄羅斯發射的登月航天器相繼墜毀。

在楊宇光看來，相較日本、俄羅斯等國的失敗嘗試，“游隼”號犯的錯誤可能“更低級一些”。他解釋，登月大體需要五步，首先是火箭將登月探測器送入地月轉移軌道；第二步，在該軌道上大約飛行3～5天，其間需要進行幾次修正，以保證飛行軌跡準確；第三步是近月制動，即探測器到達月球附近時減速進入繞月軌道；最后兩步是降軌和落月。“日本、俄羅斯的探測器都完成了前四步，在最后的落月階段墜毀，這一步確實很難，因為要在很短時間完成減速，相當于從每小時五六千公里的速度減到0，任何控制上的細微誤差，都可能導致墜毀。但‘游隼’號甚至還沒有完成第二步，也無法進入繞月軌道。”

實際上，推進器系統故障是航天器故障中一種常見類型。對于“游隼”號推進劑泄漏的可能原因，Astrobotic內部的一種推測指向“沒有很好密封的閥門”，導致高壓氦氣在飛行中涌出，使氧化劑罐破裂。長期關注航天工業的人會清楚，閥門雖小，卻是航天器中最常見、也最重要的組件之一，必須以超高精度制造，盡可能輕，并能夠承受極端溫度、壓力和振動環境。對于泄漏率，一些閥門有極苛刻的要求：200 年內僅允許泄漏一克氦氣。

致力于開發航天器推進系統的初創公司Benchmark Space Systems首席技術官杰克·托伊弗特感慨：“有一千種不同的方式可以讓閥門不開心。”早在2019年，SpaceX的載人“龍”飛船在地面測試中就因推進系統閥門泄漏而爆炸。2021年，波音公司的新一代載人飛船 Starliner 在第二次軌道飛行測試時也因閥門故障而停飛。

中國航天科普大使、中國科學院國家空間科學中心研究員周炳紅對《中國新聞周刊》分析，“游隼”號的錯誤發生在登月的更早期，這樣的失敗對美國而言，的確有些罕見。但首飛的探測器比其他探測器故障概率要高，核心的一個原因就在于，地面實驗無法完全模擬太空中飛行時的真實環境，真正發射后存在諸多變量。因此，“游隼”號閥門沒有緊閉，是否與發射時的振動過大有關，抑或是其他原因，還有待進一步的數據披露，“我要強調的一點是，月球探索是一件很困難的事，任何一次首飛就像在做實驗，當然有失敗的可能”。

按照原計劃，“游隼”號將在2月23日登陸月球并在表面運行大約10天，NASA最關心的是航天器上的五個有效載荷，即“攜帶的貨物”，其中有兩臺用于監測月球輻射環境的儀器，眾所周知，輻射是人類在月球上進行長期活動的一大挑戰。另外幾個科學設備可以分析月球上的土壤和大氣，尋找水分子。“游隼”號的目標著陸點，是月球正面一塊綿延數公里的區域，科學家認為這里可能有“水的證據”。這些研究都將幫助美國更好地了解月球環境，并為下一步的載人登月鋪路。

現在，這些科學目標都無法實現，但也不是毫無收獲。當意識到無法順利登月后，Astrobotic就決定用現有電力來執行有效載荷任務并收集盡可能多的數據。NASA隨后稱，“游隼”號上的兩臺儀器正在測量地球和月球周圍星際空間的輻射環境，這些數據可以為宇宙射線活動、太陽活動引發的太空氣象“提供補充見解”。楊宇光說，月球探測器一般在登陸前很少打開科學設備，“游隼”號“只是在最壞的情況下做了一個不那么糟的選擇”，數據的科學價值有限，因為這些儀器主要是為了在月球表面工作而設計，并非地月空間。

雖然“游隼”號登月失敗了，但此次發射最大的成功或來自“火神半人馬座”火箭，Astrobotic強調，火箭順利地將“游隼”號發射至地月轉移軌道，“沒有跡象表明推進異常是由于發射造成的”。

周炳紅解釋，該火箭是由美國聯合發射聯盟公司（ULA）研制的新型兩級半運載火箭，由一級、二級及助推器構成，最大高度約67.4米。除固體助推器外，一級箭芯配備有2臺BE-4液氧甲烷發動機，“這是一個全新的發動機”，二級箭芯仍采用2臺傳統的氫氧發動機，“整個系統相當于使用了三種不同的推進劑組合，結構非常復雜”。

此次發射成功，也意味著美國第一枚液氧甲烷火箭成功入軌，美國成為繼中國之后，世界上第二個走甲烷火箭技術路線的國家。值得一提的是，BE-4液氧甲烷發動機由美國商業航天時代的三大巨頭之一藍色起源研發，而成立于2006年的ULA則是美國航天的老玩家，由“國家隊”波音和美國航空航天制造商洛克希德·馬丁公司合資組成，曾壟斷美國火箭發射市場，但近年來受到SpaceX的很大沖擊。因此，當馬斯克在社交媒體平臺X上祝賀ULA的新型火箭發射成功，該成功又與馬斯克的競爭對手、同樣代表太空新興力量的貝佐斯（藍色起源創始人）有關時，新舊歷史交互，形成了一個有趣的對照。

“從中你可以看到，一個美國傳統的航天企業，在面對激烈的市場競爭時做出了一個順應市場的選擇。但同時，它的二級發動機仍是上一個航天時代的遺產。”對商業航天市場很熟悉的千域空天咨詢有限公司創始人藍天翼對《中國新聞周刊》這樣說。

“我四歲的兒子對我說，他的DNA迷失在宇宙中了！”

當“游隼”號宣布登月失敗后，這條評論很特別，它再次提醒人們：這是一次商業登月，除了NASA為那些科學儀器購買“船票”外，Astrobotic可以選擇把“船票”賣給任何人。

《星際迷航》已故的創造者吉恩·羅登貝瑞和妻子是首批“乘客”，早在20世紀90年代，他們就提出要把自己的骨灰樣本送入太空。這一次，太空紀念公司Celestis為他們提供了這一服務。該企業的宣傳口號很抒情：將火化的遺體或 DNA 送入深空，通過一次永恒的旅行來紀念你所愛的人。他們將真正去“沒有人去過的地方”。從20世紀90年代就開始的美國太空葬禮雖然已流行了數年，但這還是第一次選擇月球作為墓地。

2023年11月21日，Astrobotic公司的“游隼” 號月球著陸器被封裝在“火神半人馬座”火箭的有效載荷整流罩中。圖/美國國家航空航天局網站

羅登貝瑞一家人的“同伴”中，還有《星際迷航》烏胡拉中尉的扮演者尼切爾·尼科爾斯、科幻小說作家阿瑟·C·克拉克和其他想要進行“特別告別”的普通人的骨灰。不過“船票”并不便宜，一次飛行的起價是12995 美元。此外，美國三位總統的DNA也作為象征被送入月球，他們是：華盛頓、艾森豪威爾和肯尼迪。因此，當無法登月的消息傳來，美媒報道的標題是《吉恩·羅登貝瑞的骨灰正在太空中不受控制地飄流：一個孤獨的結局》。

除了骨灰和DNA，這一次，Astrobotic還和敦豪快遞（DHL）開發了“月球快遞”，人們可以把任何紀念品裝在一種膠囊里，發送到月球表面，根據“包裹”大小有不同的費用：從460 美元到 25800 美元不等。在航天器最終攜帶的151個膠囊里，有珠穆朗瑪峰山頂的巖石、美國宇航員寫給剛去世父親的信、一枚實體狗狗幣、一面金屬制烏克蘭國旗，以及一位社交媒體癡迷者在同一個問題下征集到的各種回復：如果你能向月球發送物品，你會發送什么？

“游隼”號上裝滿了人類的各種記憶，雖然它最終失敗了，但這次冒險拉開了一個讓所有人都能登上月球的新時代序幕。當世界上最大的物流公司正把快遞業務擴展到地球之外，Astrobotic首席執行官約翰·桑頓明確地說：“我們的服務價格是市場上最低的，我們試圖為企業、大學和政府建立起可負擔的的登月通道。”

桑頓的話語充滿野心，但其實在1月8日發射前，幾乎沒有人聽過Astrobotic。這是一家成立于2007年的小型公司，只有150名員工，2019年獲得了NASA價值7950萬美元的合同。在研發“游隼”號之前，公司的拳頭產品是月球漫游車CubeRover，這是早在2017年就被NASA“小型企業創新研究中心”選中的資助對象，主打成本優勢和小型化。根據官網介紹，通過將漫游車、有效載荷和月球著陸器一起設計，公司可以使每公斤有效負載價格降為 450 萬美元。直到現在，Astrobotic對自己的定位仍是一家月球物流公司，目標是讓客戶低成本探索月球。

近年來，人們對美國商業航天的關注更多聚焦在SpaceX、藍色起源這類大公司，卻忽視了Astrobotic這種小型初創企業。藍天翼指出，美國的商業航天之所以如此繁榮，是因為在冰山之下，NASA多年來一直在不遺余力地培育初創公司，“NASA的扶持策略是，在企業還不具備能力的時候，我來支持你，給你合同，不是我相信你能做出來，恰恰是我不相信你能做出來，可能有50％～80％的概率要失敗，但沒關系，所以這是典型的風投邏輯。把錢給10個公司，只要有一家能跑出來，錢就沒有白投。NASA的目標就是培育出下一個SpaceX。所以Astrobotic這種小公司，首飛就給了它這么重要的任務”。

在美國航天發展史上，這樣的故事聽起來很熟悉。NASA第14任局長比爾·尼爾森曾對媒體說：“你和馬斯克坐下來，他會告訴你，如果沒有 NASA，他就不會取得今天的成就。”

早在2006年，在多數美國人還沒聽說過什么是商業航天的時候，SpaceX就從NASA獲得了一份商業軌道運輸服務合同，NASA提供了2.78 億美元的種子資金，用于資助開發“獵鷹9號”。2008年～2016年間，SpaceX還獲得了總價值達16億美元的一系列商業補給服務合同，這些都是NASA主動為之，它在嘗試將國際空間站的貨物運輸商業化。雙方的合作持續到現在，SpaceX已經從替NASA運貨變成承運人，也成為美國“阿爾忒彌斯計劃”的最重要參與者，2024～2027年排好的十幾次登月發射任務，幾乎被它全包。馬斯克有一次直白地表達對NASA的感激，“我是NASA的忠實粉絲，有一次我的密碼是‘我愛 NASA’”。

楊宇光認為，SpaceX成功的首要條件，就是NASA對它主動開放了相當多的資源，除在早期授予各種商業合同外，NASA還允許它免費使用肯尼迪航天中心的39A發射臺，“獵鷹9號”的主力發動機灰背隼1號中，最關鍵的部件噴注器直接采用了“阿波羅計劃”中登月艙發動機上的同種產品。因此，SpaceX不能說是白手起家，而是大量吸收了美國過去數十年的航天成果、經驗和教訓。“總有人在說要培育出自己的SpaceX，但它的成功模式是很難復制的。”

今天，美國航天的公私合作模式已經很成熟。在美國“重返月球”的過程中，從2018年起，NASA商業月球有效載荷服務（CLPS）計劃，把絕大部分登月任務商業外包出去，且承包商數量眾多，其中很多是像Astrobotic這樣的小公司。就在下個月，另一家小型企業Intuitive Machines將發射Nova-C著陸器，如果這次發射成功，就能替代Astrobotic完成它未完成的任務：實現美國第一次商業登月。此外，該企業在2024年內還有兩次發射計劃，Astrobotic在今年年底也計劃發射第二臺著陸器“格里芬1號”。目前，和NASA簽署CLPS合同的企業共有14家，這些合同全部為“無限期交付”。

藍天翼指出，美國的月球探索正處于早期階段，NASA的希望是百花齊放，在選擇承包商時，它不會過多在意質量問題，而更看重企業在探索月球時思路的創新性。“比如一家公司做了一個和阿波羅11號一模一樣的著陸器，即使質量做得再好，NASA也不會選，但如果另一家企業在登月過程中，選擇了一條很新奇的軌道，可以更好地利用引力來節省時間，這就是NASA想要支持的，它看重的是你用什么方式來執行任務。”他解釋。

有評論認為，“游隼”號失敗會對美國下一階段的登月產生影響，但在藍天翼看來，這種影響“是微乎其微的”，因為一次發射失敗了，還有更多發射在后面等著，更關鍵的是，后繼者能從這次失敗中學習到什么。

和以往很多次一樣，NASA對此次失敗表現出了很高的寬容度。“游隼”號出現異常后，NASA科學主管尼基·福克斯說：“我們將找出根本原因，幫助下一次發射不再出現這種異常情況。每一次登月努力都為我們提供了獲取更多信息以及突破可能性界限的機會。”美國宇航局科學任務理事會副局長喬爾·卡恩斯也說：“每一次成功和挫折都是學習和成長的機會。”

周炳紅認為，美國商業航天最值得學習的一點是它的“寬容失敗文化”，其背后是一種過程管理思維，不追求“一次成功”，而是通過在短時間內高密度的發射火箭來總結經驗教訓，每次失敗后，在下一次任務中可以避免同樣的錯誤，舉一反三，通過這種模式，也可以讓技術的迭代加速。“SpaceX采用的就是這種多次迭代的開發路徑，同樣是‘獵鷹9號’，目前最新版本火箭的運載能力，比早期版本提升了一倍以上，這種方法還可以降低新型火箭的研制和開發成本。所以對一個新的航天企業而言，如果每次都想要做到100分，永遠沒辦法發射。”

發射至今，Astrobotic幾乎以每隔幾小時的頻率在社交媒體X上更新進展，它展現出的透明度和評論區的友善氛圍都令人印象深刻。1月9日晚上，位于航天器甲板底部的攝像頭捕捉到了一張圖像，右上角的邊緣處露出了一點彎彎的月牙狀光斑，十幾個小時后，Astrobotic開心地宣布：“我們的飛行動力學團隊已經確認，這個彎曲的鉤子就是地球！”

1月14日的第17次更新中，“游隼”號的研發團隊破例發了長長的一段話，其中寫道：“現在，推進劑的泄漏速度已經非常慢，雖然我們相信航天器有可能再運行幾周，但必須考慮到推進系統的異常狀態，燃料與氧化劑的比例遠遠超出了主發動機的正常工作范圍，使長時間受控燃燒不再可能。我們決定負責任地安全結束這次任務，以保護地球軌道上的衛星，并確保不會在地月空間中產生碎片。”于是，“重返地球”，成為了“游隼”號的最終飛行路線。

Astrobotic首席執行官約翰·桑頓說，“這次任務教會了我們很多東西，我對下一次登月任務充滿信心。”對于“游隼”號的結局，一條評論說：“這是一個很棒的故事，謝謝你們！”