四年前大洋彼岸正式發起旨在實現載人重返月球的空間探索計劃，該計劃此後被正式定名為“阿爾忒彌斯計劃”，計劃原先設定的目标是2028年載人重返月球，後來這一時間節點被提前至2024年，然而由于計劃實施過程中接二連三地遭遇各種狀況，時間節點一再失守，先是從2024年變更至2025年，目前關于載人重返月球時間的最新表述是“最早2026年”，言外之意就是大概率還要推遲。

登月器與登月宇航服研制進度緩慢導緻NASA重返月球時間不得不推後

NASA負責人納爾遜在今年上半年的一場聽證會上曾這樣說道，CASC正愈發能比原先預料的早很多地送宇航員登月。

CASC是載人航天及探月任務的抓總單位

由此可見嫦娥探月工程的實施對其産生的刺激作用，納爾遜之所以這麼說是因為CASC進步太快。

我們在十三年時間裡連續實施了嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号、嫦娥5T1、鵲橋号中繼星、嫦娥四号、嫦娥五号共計7次發射任務，掌握了包括地月轉移、繞月飛行、月面軟着陸、月面起飛、環月軌道無人對接、月地高速再入返回等一系列探月核心工程技術能力。

嫦娥五号：月面起飛、環月對接、樣品轉移、月地返回

尤以嫦娥五号月面采樣返回任務最為世界矚目，該任務綜合技術能力達到了世界領先水平，圓滿實現了嫦娥探月繞落回三步走戰略目标。目前嫦娥探月四期工程已經批準立項，嫦娥六号、嫦娥七号、嫦娥八号正瞄準新的目标加速推進。

反觀NASA，距離上一次登月行動已經過去了将近半個世紀，這意味着登月相關的供應鍊、人才建設早已斷檔，想要恢複登月能力就必須構建全新的體系能力。

自阿波羅17号任務之後大洋彼岸登月活動中斷至今

為了支撐載人重返月球任務，NASA三年前發起了“商業月球有效載荷服務計劃（英文簡稱CLPS）”，該計劃旨在以固定合同價格向商業航天公司購買無人登月服務。目前已經有14家公司獲得競标資格，至2028年合同預估總價值達28億美元。

有人看到“商業”一詞可能立馬就要兩眼放光了，然後感歎“人家私人公司都可以登月了”，而實際上“商業月球有效載荷服務計劃”推出的根本原因在于昔日那些“軍工複合體”的欲壑難填，以至于NASA雖然有着傲視群雄的龐大預算也難以滿足它們的胃口，簡而言之就是效費比太低，到了不得不改弦更張的地步。

商業月球有效載荷服務計劃推出後截至本月先後确定了7次無人登月任務，發射計劃排到了2024年。

計劃明年上半年登陸月球正面北半球的直覺機器公司“新星-C着陸器”

NASA大幹快上讓一衆沒有登月經驗的商業航天公司挑大梁心裡也是沒底的，比如原先至少有2至3家公司計劃今年實施登月行動，然而臨近歲末卻沒有任何一家公司兌現諾言，它們中的大多數都将發射時間推後至少一年，其中還有一家公司由于遭遇難以克服的内部挑戰最終不得不放棄訂單。

NASA一位主管澤布琛說，接受部分任務會以失敗告終，這種風險會帶來以低成本把有效載荷送往月球的新機遇。

計劃明年年底搭乘“新星-C着陸器”登月的月球車

從服務載人重返月球以及無人屬性來看，“商業月球有效載荷服務計劃”更像“NASA版的嫦娥探月工程”，都是為了獲得登月工程能力以及相關的科研探測數據。雖然向商業航天公司釋出了一大批合同訂單，然而NASA自己還是主導了其中的一個“旗艦級”項目，就是計劃在2023年11月發射的“毒蛇号月球車”。

NASA毒蛇号月球車

當前各國都在聚焦月球南極探測，核心驅動原因是那裡有水冰，有水就可以極大程度上解決航天員長期駐留補給問題，同時水還可以用于制作氫氧發動機的推進劑，從而建立邁向更遙遠深空的一座“補給中轉站”。

受太陽入射角以及月面地形影響，月球高緯度地區部分撞擊坑内部存在太陽光無法照射的區域，因而形成了永久陰影區。據統計月球上目前已知有324個永久陰影區，總面積約3.1萬平方公裡（大緻相當于一個海南島大小），其中一半以上的永久陰影區位于月球南半球。

月球北極地區一個撞擊坑中的永久陰影區

人類此前部署的多顆環月軌道衛星探測數據表明永久陰影區中含水，十二年前NASA曾組織實施對月球南極凱布斯坑的撞擊探測，半人馬座末級火箭與LCROSS探測器連續對此區域進行撞擊探測，LRO月球勘測軌道衛星收集到了相關撞擊數據，并形成了月球有水的證據。

除了水源，月球極區還存在利好太陽能發電的因素。受月球自轉速度影響，其非極地地區每個月都會迎來長達十幾天的月夜，探測器身處月夜環境中無法接受太陽光照，就無法形成持續的發供電能力，比如嫦娥三号與嫦娥四号在月夜極低溫環境中必須進入休眠狀态，同時還需要同位素溫差熱源提升溫度保持狀态。

玉兔二号月球車

而月球南北兩極與地球南北兩極一樣都有極晝極夜，這意味着探測器的太陽能電池可以獲取持續時間更久的連續發電能力，進一步利好極區探測。

關于月球永久陰影區是否含水這個問題，目前都是間接證據，計劃2023年登陸月球南極的毒蛇号月球車，其核心任務就是進行原位探測獲取月球是否有水的直接證據，并結合遙感探測數據繪制全月球資源地圖。

月球南極地區水冰分布

讓月球車深入大型撞擊坑内部的大面積永久陰影區，對于目前人類的科技水平而言是困難的，因此毒蛇号選定的登陸地點位于月球正面南極諾畢爾環形山（撞擊坑）以西地區，這裡分布着一些尺寸較小的撞擊坑，月球車可以憑借在光照區儲存的電力進入其中進行短暫的探測。

毒蛇号計劃登陸的月球南極區域（LRO衛星成像）

話說作為NASA無人探月的旗艦級月球車任務為什麼要命名為“毒蛇号”呢？

該探測項目中文全稱是“揮發物調查極地探險漫遊者”，英文全稱是“Volatiles Investigating Polar Exploration Rover”，其首字母縮寫簡稱恰好組成了毒蛇單詞“viper”，也許這是吃了沒文化的虧……

毒蛇号月球車模型（用于裝配演練）

毒蛇号月球車由NASA艾姆斯研究中心負責抓總研制，在商業月球有效載荷服務計劃框架下“宇宙機器人技術公司”于去年獲得了毒蛇号月球車的月面軟着陸訂單，訂單價格2.265億美元，這筆費用包括從地球出發的火箭發射費與月面軟着陸費用。

宇宙機器人技術公司需要為此研發月面着陸器，同時向SpaceX公司訂購了重型獵鷹火箭的發射服務。目前尚不清楚為什麼要使用重型獵鷹火箭發射重量最多4至5噸的月球探測器，也許是為了回收火箭起飛級降低發射價格，也許這是一個“拼單”業務。

重型獵鷹火箭

月面無人自動軟着陸任務不僅對宇宙機器人技術公司是一項全新的挑戰，對于大洋彼岸整個航天體系而言也是新的挑戰。

NASA半個世紀前主導實施的阿波羅載人登月任務是在有人條件下的登月行動，登月航線最後确定安全着陸點是宇航員進行幹預，即便此前它們也曾實施過多次無人登月任務，但那一時期的避障手段極為有限，隻能瞄準開闊且平坦的區域進行盲降，可靠性也更低，因此勢必要研究新的登月技術方案。

NASA無人登月器，勘測者一号拍攝圖像。（緊随其後的勘測者二号着陸失敗）

托舉毒蛇号登陸月球的着陸器是宇宙機器人技術公司正在研發的“鷹獅号”，該着陸器高2米、寬4.5米，規模比嫦娥四号着陸器略大。

宇宙機器人技術公司鷹獅号着陸器模型組件

鷹獅号着陸器與毒蛇号月球車組合體（效果圖）

配置5台3100N反推發動機，以及12台姿控發動機。着陸器上方配置有雙向展開的坡道。高緯度地區太陽入射角小，為了接收到更多光能，太陽能電池貼附在着陸器側壁上。鷹獅号着陸器橫截面呈八邊形，這樣設計的好處是可以适應光源位置的變化，确保太陽能電池的發電能力。

宇宙機器人技術公司采購敏捷空間工業公司的3100N發動機作為鷹獅号着陸器的下降反推動力

鷹獅号着陸器雖然不能從NASA昔日登月技術的故紙堆裡找到合适的方案，但進入新世紀後的火星與月球登陸任務卻可以帶來新的靈感。

首先它延續了毅力号火星探測器的“地形相對導航”方案，其原理是事先将環月軌道衛星拍攝的着陸區高分辨率圖像資料注入着陸器計算機，并設置好地形導航點位，而後着陸器登月時使用光學成像設備對着陸區連續成像，再将成像信息與事先注入計算機的圖像進行比對，進而修正航線。

毅力号任務地形相對導航演示（圖中左側虛線是選取的導航特征點）

地形相對導航技術的優勢是着陸位置偏差小精度高，然而這項在火星登陸任務中大放異彩的導航控制技術放在月球也是有些水土不服的。

因為火星車登陸時可以選擇相對開闊平坦的着陸區，在月球上卻不行，尤其是月球極區的複雜地形更不行。

地形相對導航十分依賴環月軌道衛星拍攝的高分辨率圖像，LRO月球勘測軌道飛行器是當前部署月球成像分辨率最高的環月軌道衛星，它可以提供0.5米分辨率的全色圖像，如果适當降低成像高度，分辨率還可以進一步提升至0.27米。

環月衛星成像并不能完全識别月面障礙

然而即便有如此之高的成像分辨率也仍然不能保證登月行動的萬無一失，因為圖像數據存在誤差，月面的複雜地形将進一步放大誤差帶來的着陸安全隐患。

怎麼辦呢？

嫦娥探月工程已經做出了表率，該工程框架下的嫦娥三号、嫦娥四号、嫦娥五号三次登月任務接連成功，成功率100%，其中尤以嫦娥四号的月球背面着陸任務最具代表性。

嫦娥四号

嫦娥四号着陸位置位于月球背面“南極-艾特肯盆地”的“馮卡門撞擊坑”，這裡是月球撞擊坑分布最密集的區域，完成此項登陸任務将意味着獲得全月面到達能力。

擺在嫦娥四号着陸器面前的不再是類似嫦娥三号着陸區那樣的平坦地形，而是平均高度達4000米的高大山系，如果算上馮卡門撞擊坑的深度，垂直落差近萬米，超越了珠穆朗瑪峰的8848.86米。

嫦娥四号着陸區近萬米地形落差

因此嫦娥四号不能像嫦娥三号那樣平緩落月，而是要采取定點跳傘的方式在6000米高空基本消除水平速度開始垂直降落。

嫦娥四号轉垂直下降姿态

最終降落月面後通過着陸器監視相機成像畫面可以看到，距離着陸點僅十幾米的距離就有一個直徑29米的撞擊坑，這個撞擊坑正對月球車駛離坡道，其他方向也有多個撞擊坑，以緻于進行兩器互拍任務時玉兔二号月球車不能抵達設計的拍攝地點，而在其互拍圖像中又看到着陸器降落在了一個撞擊坑邊緣的斜坡上，由此可見月球背面地形的複雜程度。

玉兔二号的身後就是一個寬約29米的撞擊坑

嫦娥四号着陸器降落在一個斜坡上

嫦娥四号之所以能夠拿下月球背面複雜地形登陸任務，主要得益于基于機器視覺理念的一系列首創自動登月技術。微波測距/測速敏感器、激光測距敏感器、降落相機、激光三維成像敏感器在内的一系列敏感器是着陸器的眼睛，7500N變推力發動機與一系列姿控動力則是執行機構，眼睛獲取的信息通過計算機生成指令控制發動機進行降落與避障，同時又創新了粗避障與精避障相結合的接力避障方案。

嫦娥四号動力下降軌迹示意圖

首先是在約一千米高度進行粗避障，避開目标較大的障礙物，爾後抵達100米高度後在7500N變推力發動機與姿控動力作用下實現懸停，此時一個關鍵的裝置“激光三維成像敏感器”開始發揮作用，它将發射激光波束獲取着陸區斜距數據繪制三維立體圖像，并基于“安全半徑螺旋搜索法”選取“安全着陸點”，看似繁瑣的過程實際上隻需要1至2秒，然後着陸器開始向安全着陸點機動并緩速下降，最終實現月面軟着陸。

嫦娥四号配置的“激光三維成像敏感器”

激光三維成像敏感器獲取着陸區斜距，并與激光測距敏感器協同工作。

安全半徑螺旋搜索法

圖像中心是設計的标稱着陸點，有密集分布的撞擊坑。圖像左側十字則是着陸器自主選擇的安全着陸點。

NASA也曾計劃在火星登陸任務中使用可獲取三維圖像的激光雷達（與激光三維成像敏感器屬同一類型設備），但不論是好奇号亦或者毅力号都沒能在降落任務中實現工程應用。

鑒于激光雷達在嫦娥探月任務中的出色表現，宇宙機器人技術公司的鷹獅号着陸器也希望加裝激光雷達，但最終能否裝配此設備仍然是未知數。

由于月球極區複雜地形的登陸難度高，NASA與宇宙機器人公司并不打算一開始就挑戰月球南極登陸任務，除承運毒蛇号月球車外，在商業月球有效載荷服務計劃框架下宇宙機器人技術公司的遊隼号着陸器将先期于明年第一季度搭乘火神運載火箭進入地月轉移軌道，并着陸于月球正面比格撞擊坑西南區域，這是一片較為開闊平坦的高原。

遊隼号小型着陸器

明年上半年遊隼号若如期登月，這将是時隔近半世紀後大洋彼岸再次具備月面軟着陸能力的一個标志性事件，此任務也可看作是針對毒蛇号月球車着陸任務的一次預演。

話說毒蛇号月球車屆時曆經艱辛來到月球南極後将如何展開尋找水源的工作呢？

毒蛇号月球車長寬都是1.5米，桅杆頂部高度是2.5米，發射質量達到了450公斤，整體規模是玉兔二号月球車的三倍有餘，采用主動懸架四輪驅動設計。

毒蛇号行走機構爬坡測試

在此之前人類地外天體星球車諸如旅居者号、勇氣号、機遇号、好奇号、玉兔号、玉兔二号、毅力号都是被動懸架，隻有我們的祝融号采用的是主動懸架。

祝融号是當今人類部署地外天體的唯一一輛配置主動懸架的星球車

主動懸架的優勢是可以擡升車體通過複雜地形，同時還可以擡升車輪進行尺蠖運動，有利于在遭遇危險時及時脫困，這對于在複雜月面有快速行駛需求的毒蛇号而言是十分必要的。

毒蛇号行走機構外場測試懸架擡升，它将具備類似祝融号的機動能力。

毒蛇号行駛速度可以達到0.72公裡/小時，也比玉兔二号更快。之所以追求更快的行駛速度是因為前者的壽命限制，毒蛇号沒有配備類似玉兔二号的同位素溫差熱源，使得它難以抵禦月夜環境下的極低溫。

按照設計毒蛇号月球車隻能在無光照環境中停留不超過50小時，這一設計也是為了進入永久陰影區，并不是為了月夜生存。

月球南極區域雖然有長期連續光照優勢，但這不代表沒有月夜，一旦度過長期連續光照的月晝，月球南極地區的月夜時間将比其他區域時間更長，因此其設計壽命被限定在100天。毒蛇号月球車必須在有限的時間内進行探測，不必期待它可以像玉兔二号那樣可以超期服役，因為一旦進入長周期的月夜就意味着任務的終結。

玉兔二号月球車車體後部挂載的便是同位素熱源

毒蛇号為了尋找水源配置了三台科學載荷與一台類似嫦娥五号鑽取月壤用的旋轉沖擊鑽，當它駛抵設計的探測點後，首先使用“中子光譜儀”探測所在區域月面下約0.9米深度月壤的氫原子，探測到合适濃度的氫原子後啟動“旋轉沖擊鑽”鑽取月壤，預計鑽取設備将對地表區域、淺層區域、深層區域、幹燥區域進行鑽取，設計鑽進深度也與嫦娥五号鑽取設備類似，都是旋轉沖擊鑽。

中子光譜儀組件在振動台上進行測試

類似嫦娥五号鑽取月壤用的旋轉沖擊鑽

鑽取月壤後毒蛇号再使用“近紅外揮發物光譜儀”分析月壤中氫原子的性質，并檢測月壤中可能存在的二氧化碳、氨和甲烷，與此同時“質譜儀”也将與“近紅外揮發物光譜儀”協同工作，前者主要用于區分哪些氣體來自月球，哪些氣體是由着陸行動造成的影響。毒蛇号的任務很明确，它其實就是一輛“月球找水車”。

近紅外揮發物光譜儀

質譜儀安裝散熱器

由于太陽入射角很小，而毒蛇号又要進入小型撞擊坑的永久陰影區探測，所以必須配備照明設備，因此它也将是人類第一輛配備車燈的地外天體漫遊車。

毒蛇号月球車配備有車燈

毒蛇号月球車桅杆上有兩個LED泛光燈，它可以像家用轎車那樣打出近光燈與遠光燈，同時車身底部也分布有6盞燈，以照亮車體周圍區域。

月球車的行駛與科學探測離不開電能供給，毒蛇号與着陸器一樣都将太陽能電池配置在側壁，以适應月球極區的太陽入射角，其發電峰值功率可達450瓦。

那麼，上述行動都是毒蛇号自主實施的嗎？并不是。

由于月球距離地球并不像火星那麼遙遠，通信延時隻有幾秒鐘，所以選擇的是類似玉兔二号由地面團隊操控的模式，他們将安排三個操控團隊執行24小時三班倒全天運行機制，以期在有限的壽命内完成既定工作。

毒蛇号月球車對地球通信天線

毒蛇号月球車采用X波段天線直接對地通信，由于月球自轉軸的擺動加上沒有中繼衛星的問題，它還将面臨為期1個月的通信中斷周期，在此期間需要找好駐留位置避免周遭進入無光照環境從而影響月球車的壽命。

因月球運動和自轉軸指向造成的天平動将導緻毒蛇号月球車對地球通信中斷

通過梳理毒蛇号月球車項目筆者想到了航空領域殲20總師楊偉曾經說過的一席話，他說：對于更遠未來的航空裝備發展，有人希望什麼都比現在好，飛的要比現在快、要比現在遠、比現在高，什麼酷炫“超能力”都有。怎麼可能有這樣的産品？任何一個産品都有取舍，沒有取舍的産品不是一個好産品。

毒蛇号月球車雖然是航天裝備，但在理念上都是相通的，它在探測任務需求與工程總體之間的取舍就恰好印證了楊偉總師的論斷，即便強如NASA也需要取舍。

距離毒蛇号月球車正式起航飛往月球還有整整兩年時間，我們祝願它最終能夠如願抵達月球。

嫦娥七号探測器

就在毒蛇号月球車奔向月球的那一時期，旨在實施月球極區環境與資源勘查任務的嫦娥七号也将踏上奔月征程，這将是一個集環月軌道器、着陸器、月球車、飛躍式探測器、中繼星多器于一身，可長期服役8至10年的大型成體系的無人綜合月球極區探測器，其性能之強悍将刷新人類探月的新高度，它的登陸地點将比毒蛇号月球車更靠近月球南極極點，巅峰高地的下一篇長文分析就将聚焦嫦娥七号。

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