美国“蓝色幽灵”月球探测任务分析
美国东部时间2024年1月15日1:11，萤火虫航天公司（Firefly Aerospace）研制的“蓝色幽灵”（Blue Ghost）月球着陆器搭乘猎鹰-9（Falcon-9）运载火箭于肯尼迪航天中心39A发射台发射。此次任务为美国“商业月球有效载荷服务”（CLPS）计划的第三次任务，前两次任务都未取得完全成功。美国国家航空航天局（NASA）于2018年启动定期向月表运送科学和技术有效载荷的CLPS计划，利用承包商集成、发射、着陆和运行NASA的有效载荷，支持“阿尔忒弥斯”（Artemis）计划。NASA通过对月球商业运输服务进行投资，促进产业发展并支持月球探索长期可持续发展。CLPS以不确定交付/不确定数量的形式授予合同，合同持续到2028年，累计总价值约为26亿美元。根据NASA向月球表面（或月球附近目的地）发送有效载荷的需要，NASA将发布固定价格的任务订单，经批准的主承包商可以竞标。目前，共有13家公司具备CLPS任务的竞标资格，其中5家公司获得了11次月球运输任务，计划在2028年前向月球表面交付50多个有效载荷。执行本次任务的萤火虫航天公司创立于2017年3月，公司员工超过700人，主要业务聚焦于运载火箭、月球着陆器、轨道转移飞行器研发。该公司于2018年入选CLPS承包商库，并已获得3次CLPS任务。任务概述此次任务名称为“空中幽灵骑士”（GhostRidersintheSky），主要任务目标是完成月球表面软着陆，将其携带的10个有效载荷运送至月球表面。“蓝色幽灵”着陆器计划于2025年3月2日着陆月球危海盆地，并在一整个月球日（约14个地球日）内运行有效载荷。有效载荷运行结束后，着陆器将从月球上拍摄地球遮挡太阳的日全食的高清图像，通过拍摄月球日落图像，研究太阳在月暮条件下对月球风化层的影响。最后，着陆器将在月夜继续运行数小时后结束全部任务。系统组成“蓝色幽灵”月球着陆器（表1、图1）高2m，宽3.5m，着陆器的很多核心部件都经过飞行验证，从而降低了成本并提高了可靠性。着陆器提供300W功率，月面有效载荷运载能力为150kg，月球轨道有效载荷运载能力为2700kg。为实现平稳着陆，着陆器重心较低，着陆腿采用减震设计，着陆时接触面积较大。有效载荷此次任务共携带了10个有效载荷前往月球，有效载荷总质量约为94kg。相关载荷将推进月球研究，包括测试风化层样本采集技术、全球导航卫星系统能力、耐辐射计算和月球尘埃缓解技术，为“阿尔忒弥斯”计划后续载人登月任务奠定基础。有效载荷还将捕获空间天气对地球造成的影响，造福人类。（1）下一代月球反射镜（NGLR）NGLR将反射来自地球的月球激光测距天文台（LLROs）发出的极短激光脉冲，测量激光脉冲往返月球的时间，辅助测定地月距离。NGLR将凭借亚毫米级测距能力，增进对月球内部结构的理解，验证修正后的引力和暗物质理论，并推动月球物理学与宇宙学领域的研究。（2）耐辐射计算机（RadPC）RadPC演示通过故障缓解策略，使计算机从电离辐射引发的单粒子效应（SEE）中恢复。恢复程序在商用现场可编程门阵列（FPGA）运行。此前的RadPC原型机在“国际空间站”和地球轨道卫星上进行过测试。RadPC将验证该计算机在穿越地球辐射带以及在月球表面环境下，抵御空间辐射的能力。（3）风化层黏附特性研究（RAC）RAC将通过成像测量几种材料（如：太阳能电池、光学系统、涂层和传感器）表面风化层的积累速率，判断这些材料排斥或去除月尘的能力。收集的数据将有助于测试、改进航天器、登月服和月球栖息地，避免磨蚀性风化层的侵害。（4）月球大地电磁测深仪（LMS）LMS将测量电场和磁场，计算月球内部的电导率分布，描绘月球地幔的结构与成分。研究将有助于确定月球的温度结构和热演化，以便了解自月球形成以来的冷却和化学分化过程。（5）月球环境太阳风层X射线成像仪（LEXI）LEXI将对地球的磁鞘和磁层顶进行成像，首次提供展示地球磁场边缘的全球图像，研究能量如何从流动的太阳风耦合到地球的空间环境中，进而引发地磁暴和空间天气变化。LEXI能够探测到0.1～2keV的软X射线光子。（6）月球真空采样器（LPV）LPV将展示以压缩气体为动力采集月壤样本的过程。LPV会向月球表面喷射气体，吹起月壤，在短时间内采集到1cm深度的月壤，并在样本容器内进行样本筛分和拍照。与机械臂等其他样本采集方法相比，该方法快速、低成本且低质量。（7）月球地下快速热探测仪（LISTER）LISTER将通过测量月球地下的热梯度和热导率，来确定月球内部的热流特征。LISTER利用气动钻探技术，钻入月壤2～3m深，在不同深度进行5次测量。（8）月球羽流表面研究立体相机（SCALPSS）SCALPSS将在着陆器下降发动机羽流与月球表面相互作用之前、期间和之后，运用立体成像技术，捕捉羽流对月壤的影响。获取的高分辨率立体图像将有助于建立模型，以预测月壤侵蚀情况。（9）电动防尘罩（EDS）EDS使用主动式尘埃缓解技术，利用电场将尘埃从表面移走，防止尘埃在表面积聚。EDS无需移动部件，就能将颗粒从表面抬起、输送并清除。EDS将直接放置在月球表面，最大程度接触月尘，验证玻璃和热辐射器表面自清洁的可行性。（10）月球GNSS接收器实验（LuGRE）LuGRE在着陆器前往月球以及在月球表面活动期间，将接收并追踪来自GPS和“伽利略”（Galileo）卫星导航系统的信号。这项演示将有助于将GNSS的定位、导航与授时（PNT）扩展到月球轨道和月球表面。该有效载荷主要目标为：在月球接收GNSS信号并获取信号环境特征；利用收集的GNSS数据演示导航和时间估算；帮助开发月球专用的GNSS接收器。计划任务过程着陆器发射后，首先会绕地球轨道飞行25天，在此期间，有效载荷团队将进行健康检查并开展转移轨道操作。着陆器将绕月飞行约16天，然后下降至月球预定的着陆点（图2）。月球探测最后的着陆阶段风险性极高。在下降的最后一小时内，着陆器利用基于视觉的地形相对导航和避险系统，识别陨石坑、斜坡岩石，最终在着陆区内选择安全位置着陆。在整个下降过程中，着陆器的RCS推进器会根据需要脉冲喷射，实现着陆器软着陆（图3）。着陆点选择NASA为“蓝色幽灵”的着陆点位于月球正面东北象限的危海（MareCrisium）盆地（图4），具体位置在盆地内一个名为拉特里耶山（MonsLatreille）的火山地貌附近。危海盆地宽约550km，由早期火山喷发形成，在30多亿年前被玄武岩熔岩淹没。NASA认为，选择该着陆点将有利于有效载荷收集有关月球风化层、地球物理特征，以及太阳风与地球磁场相互作用的关键数据。屡次受挫背景下，美国持续推进月球运输商业化CLPS计划下的系列任务于2024年正式启动，首次任务发射的“游隼”（Peregrine）月球着陆器因推进剂泄漏而未能抵达月球。仅一个月后，再次发射的新星-C（Nova-C）月球着陆器在降落至月球表面时发生倾斜。2024年7月，NASA宣布“毒蛇”（VIPER）月球车项目因成本上涨、发射日期推迟等原因取消。VIPER月球车是CLPS任务下“格里芬”（Griffin）着陆器携带的主要载荷，NASA已为该项目花费了大约4.5亿美元。尽管NASA仍计划支持“格里芬”着陆器于2025年发射，使用质量模拟器代替VIPER月球车，但任务整体价值大打折扣。在遭遇以上挫折后，NASA在2024年仍按计划授予了2次CLPS任务，证明NASA对CLPS计划以及承包商能力的认可。NASA将为近地轨道运输设计的固定价格采购模式延用到月球运输；并营造市场竞争环境，促使商业公司通过技术与管理创新，能够以相对较低的成本完成月球任务。若本次任务取得成功，NASA将实现以100万美元/kg的价格把有效载荷送到月球表面。以无人任务为载人任务铺垫，同时兼顾科学价值CLPS任务作为“阿尔忒弥斯”计划的一部分，NASA强调CLPS任务在载人登月工程中的早期实践作用。本次任务重点评估了月球风化层对月球探测的影响，月球风化层呈现粗糙和锯齿状特征，可以在高空停留很长时间，具有较强的吸附性，可能对航天员以及太阳能电池阵等设备造成严重破坏。NASA在本次任务中测定月球风化层对不同材料的粘附情况，以改善航天器、航天服设计；并发展主动除尘技术，以减轻月尘对载人登月计划的影响。从着陆点选择看，NASA除了聚焦于首次载人登月的南极着陆点附近，还为CLPS任务在全月球范围内选择了一系列具备科学研究潜力的着陆点。NASA希望通过探查未知地点的数据，深入了解月球组成、结构、物理性质以及月球地质演化等多方面的信息，同时以月球为平台，观测空间天气对地球的影响（图5）。图5 CLPS 系列任务着陆点（图中数字1-9为着陆点）面向市场需求提高服务水平，优化产品设计产品服务方面，大部分CLPS任务承包商从市场需求出发，提供从地球到月球的端到端服务，服务政府以及商业用户。萤火虫航天公司的“蓝色幽灵”着陆器与多种发射供应商兼容，能在不同阶段为有效载荷提供资源支持，未来还可与该公司开发的“鞘翅”（Elytra）轨道飞行器配合，根据需求定制更复杂的月球探测任务。产品优化方面，萤火虫航天公司采用垂直整合的方式，在不同航天产品间共享部件（例如：将在火箭产品上的部件应用于着陆器），以规模效应实现降本增效，提高竞争力。此外，经过筛选被授予任务的公司一般具备较强的研发能力，萤火虫航天公司具备着陆器自主设计、制造、测试的能力，减少对供应链的依赖。公司还拥有任务控制中心，减少对政府公共资源的占用。
