直觉机器公司第二次月球探测任务分析
美国东部时间2025年2月26日19:16（北京时间2月27日08:16），直觉机器公司（IntuitiveMachines）研制的直觉机器-2（IM-2）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，该着陆器也被称为“雅典娜”（Athena）。直觉机器-2于美国东部时间2025年3月6日13点27分在月球着陆。但因尘埃干扰导航系统，撞上高原后侧翻至阴影坑内，导致供电受损。直觉机器公司于3月7日宣布任务结束，NASA确认着陆器运行不足13小时。直觉机器-2任务属于美国国家航空航天局（NASA）商业月球有效载荷服务（CLPS）计划，也是直觉机器公司基于其新星-C（Nova-C）着陆器平台执行的第二次月球探测任务。直觉机器公司成立于2013年，总部位于美国得克萨斯州休斯敦。该公司专注于开发月球运输服务、导航系统和自动着陆技术，目标是成为商业月球探测市场的领导者。作为CLPS的承包商之一，直觉机器公司已获得多项NASA合同，用于开发和执行月球探测任务。直觉机器-1已于2024年2月搭载SpaceX猎鹰-9火箭成功发射，并顺利进入地月转移轨道。经过数天的航行和轨道修正，探测器于2024年2月22日尝试在月球表面着陆。在最终着陆阶段，由于导航系统误差和发动机推力控制问题，着陆器发生倾倒，未能以完全垂直的姿态落地，但仍在部分系统可用的情况下开展了短暂的科学任务，因此直觉机器-1任务被NASA和直觉机器公司认为是“部分成功”。直觉机器-2任务将在直觉机器-1任务的基础上，执行更具挑战性的任务目标，特别是月球南极地区的资源探测。任务不仅将进一步验证新星-C着陆器的技术成熟度，也将为未来的月球资源开发和人类探测提供重要的科学数据。任务目标直觉机器-2任务的核心目标是推动月球南极地区的水冰探测与资源利用，同时验证关键技术和科学仪器，为未来的月球探测任务奠定基础。作为CLPS的重要组成部分，直觉机器-2任务不仅承载着NASA的科学目标，还肩负着推动月球经济和技术创新的使命（图1）。科学目标本次任务的着陆点位于月球南纬约85°、距月球南极仅160km的蒙斯穆顿区域（MonsMouton），该区域是自1972年以来人类首次登月的几个潜在着陆点之一。具体着陆点将在沙克尔顿陨石坑附近的“沙克尔顿连接山脊”（图2）。NASA的“月球勘察轨道器”（LRO）数据表明，该区域地下可能存在冰。并且，该区域可以获得足够的阳光，为着陆器提供大约10天的能源，同时具备良好的与地球通信的条件。此外，该区域靠近一个小型陨石坑，非常适合无人探测任务。直觉机器-2任务的主要科学目标是探测着陆点附近的水冰资源。月球南极地区被认为是水冰富集的区域，这些水冰可能存在于永久阴影区的陨石坑中。水冰的探测和采样对于未来的月球基地建设和深空探测具有重要意义。直觉机器-2任务将通过搭载的钻探实验载荷，首次在月球表面进行水冰的探测与采样，验证原位资源利用技术的可行性。工程目标直觉机器-2的工程目标将验证一系列关键技术，包括自主导航与避障、精确着陆以及极端环境下的系统可靠性。月球南极地区的地形复杂，光照条件极端，温度波动大，这对探测器的设计和操作提出了极高的要求。直觉机器-2任务将通过改进的导航与控制系统，确保着陆器在复杂地形中实现精确着陆。此外，任务还将验证在极低温和复杂地形条件下的系统可靠性，为未来的月球探测任务积累宝贵经验。系统组成直觉机器-2发射质量约1900kg，干质量约675kg，主体结构为六边形柱体，配备六个着陆腿，整体高度约为4.3m，直径约1.6m。为减轻重量，着陆器主要采用复合材料制造，关键部位使用金属以增强强度。在金属与复合材料的连接处，工程师采用多物理场仿真技术，确保在极端温度下的密封性和结构完整性。图3为直觉机器-2着陆器结构图。
直觉机器-2的推进系统采用液氧（LOX）和液态甲烷（LCH4）作为推进剂，主发动机为推力约4000N的VR900型。该发动机具备可调节推力的能力，支持从地球轨道到月球表面的精确着陆。姿态控制由氦气反应控制系统（RCS）实现，每个推力器提供约4.45N推力。推进剂储存在无内衬的复合材料低温燃料箱中，使用氦气加压。直觉机器-2的电源系统配备了3枚太阳能电池板，包括顶部和两侧面板，总发电能力约为200W。这些电池板为28V直流总线供电，支持着陆器及其有效载荷的运行。此外，着陆器还配备了25Ah的电池，在电力需求高峰或光照不足时提供备用电源。直觉机器-2具备全天候的数据通信能力，能够为其搭载的有效载荷提供持续的数据传输服务。着陆器配备了低增益和高增益天线，确保在月球表面与地球之间的稳定通信。月球南极地区的地形复杂，存在大量的永久阴影区和陨石坑，这对通信系统的性能提出了极高的要求。此外，月球南极的温度波动大，极端低温可能影响通信设备的性能。为了应对上述挑战，通信系统采用了耐低温材料和抗干扰设计，确保在极端环境下仍能保持稳定的通信性能。此外，通信系统还配备了自主故障检测和修复功能，能够在出现故障时自动切换到备用系统，确保任务的连续性。直觉机器-2能够在倾斜角度不超过10°的坡地上安全着陆。着陆器集成了自主着陆和危险监测技术，包括地形相对导航（TRN）和危险相对导航（HRN）系统。在距离月面约400m的高度，着陆器利用机载相机和传感器实时扫描地形，识别潜在障碍物，并在15s内完成安全着陆点的选择和调整。有效载荷直觉机器-2将通过极地资源冰采掘实验-1（PRIME-1）、“移动自主勘探平台”（MAPP）、“微-新星”（Micro-Nova）跳跃机器人等有效载荷进行探测水冰等任务。直觉机器-2携带的主要有效载荷在月面工作示意图如图4所示。以下介绍直觉机器-2携带的主要有效载荷。图4 直觉机器 - 2携带的主要有效载荷在月面工作示意图（1）极地资源冰采掘实验-1极地资源冰采掘实验-1是此次任务的核心科学载荷。NASA通过商业月球有效载荷服务委托直觉机器公司，将极地资源冰采掘实验-1实验设备送往月球南极。钻探系统将采集可能含有水冰的月壤样本，并实时分析这些样本的化学成分，特别是水和其他挥发性物质的含量。这些数据将帮助科学家了解月球南极水冰的分布、浓度及其可利用性。此外，任务还将测试设备的耐久性和效率，以应对月球南极极端的环境条件，例如极低温度和复杂的地形。极地资源冰采掘实验-1由“冰岩探钻者”（TRIDENT）和“月球挥发性物质探测质谱仪”（MSolo）两个关键部件组成。“冰岩探钻者”钻探系统是NASA约翰逊航天中心与蜜蜂机器人公司（HoneybeeRobotics）共同研制的轻型钻探设备，目标深度约1m，能够在多段钻探过程中暂停并回撤，将每个深度的钻取物质带回表面，以便进行分析。英飞科公司（INFICON）研制的“月球挥发性物质探测质谱仪”由商用质谱仪改装以适应月球探测，用于评估钻探系统采集的样本，检测其中的水和其他挥发性化合物。“月球挥发性物质探测质谱仪”将对不同深度的土壤样本进行分析，确定水冰的存在和分布。图5为其钻探系统“冰岩探钻者”。图5 极地资源冰采掘实验 - 1的钻探系统“冰岩探钻者”（2）“移动自主勘探平台”“移动自主勘探平台”是月基前哨公司（LunarOutpost）研制的轻型月球车。该月球车重量约为10kg，最高速度可达10cm/s。“移动自主勘探平台”将通过诺基亚公司（Nokia）的“月球表面通信系统”（LSCS）与地球进行通信。着陆后，“移动自主勘探平台”将行驶数米，并展开天线，以确保在距离着陆点2km范围内保持与LSCS的连接。通过这条通信链路，“移动自主勘探平台”将传输图像和遥测数据。月球车的轮子经过特殊设计，行驶中能够收集月球风化层样本。样本被收集后，“移动自主勘探平台”会将图像和位置信息发送给NASA。此后，月基前哨公司将把这些样本的所有权转移给NASA，完成首次太空资源的商业交易。
（3）“微-新星”跳跃机器人“微-新星”由直觉机器研制的小型月球机器人，也被称为“格蕾丝”（Grace）。“微-新星”擅长短程、高精度的月球探测任务，特别是在月球南极等具有科学价值的区域。“微-新星”的设计紧凑，质量仅30kg。配备了导航和控制系统，携带约1kg的小型科学仪器或技术演示设备。着陆后，“微-新星”将与LSCS通信系统建立连接，并准备执行首次跃迁。“微-新星”将从着陆器的侧面释放，随后将启动发动机，跳跃高度约20m，并降落至着陆器附近的月球表面。之后，着陆器将通过LSCS发送指令给“微-新星”，执行多次跳跃并接近数百米外的陨石坑。在倒数第2次跳跃中，“微-新星”将跳入深约15m的陨石坑底部，此处为黑暗区域，可能含有水冰，但在此处“微-新星”的通信可能中断。此后“，微-新星”将自主运行，使用传感器分析岩石和土壤中的氢元素浓度，判断水冰是否存在，同时利用摄像头拍摄环境图像。任务完成后，“微-新星”将执行最后一次跳跃，跳出陨石坑，并重新连接到LSCS。随后，着陆器将探测数据传回地球。
（4）“崛起”机器人“崛起”（YAOKI）机器人由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）与迪蒙公司（Dymon）联合研制的微型月球探测机器人。直径约8cm，质量约500g，专为月球表面的科学探测和资源调查设计。机器人采用轮式移动系统，配备太阳能电池板和高分辨率摄像头等传感器，能够在月球南极等极端环境中探测水冰资源并收集地质数据。YAOKI的任务包括验证微型机器人在月球表面的性能、支持月球资源开发以及推动商业月球探测。其紧凑、轻量化和低成本的设计使其成为未来月球探测的重要工具。
（5）诺基亚月球表面通信系统LSCSLSCS是专为月球环境设计的4G/LTE网络，旨在验证蜂窝通信技术在月球任务中的适用性。该系统集成在着陆器上，并通过其与地球进行直接通信。在着陆后，LSCS将被激活，首先与“移动自主勘探平台”建立初始连接，完成月球上的首次蜂窝通信。此后，随着“移动自主勘探平台”和“微-新星”机器人在月球表面移动，LSCS将持续监测和评估网络性能，收集数据用于优化未来的月球通信系统设计。通过LSCS，诺基亚将验证蜂窝技术在极端环境下的可靠性和高性能，为未来的月球探测任务提供关键的通信支持。任务过程2月26日，猎鹰-9搭载直觉机器-2成功发射，火箭第二级在飞行约44min后进行了二次点火，着陆器送入地月转移轨道，随后星舰分离。此后，直觉机器-2执行3次轨道修正后进入月球轨道。在接近月球时，任务进入月球轨道注入阶段，主发动机进行800-900m/s的减速点火，使其进入100km高度的地月轨道。在该轨道，绕月一周大约需要120min，其中约75min可以与地面通信，其余45min处于月球遮挡的通信黑区。任务团队在绕月轨道上对直觉机器-2进行监测，选择执行额外的轨道修正，优化最终的着陆轨迹。着陆阶段开始时，直觉机器-2在月球远地点启动主发动机，使轨道最低点下降至约10km。在接近目标区域时，受控下降启动，主发动机长时间燃烧，逐步降低速度。任务的危险检测与规避系统利用激光雷达、导航相机和计算机视觉算法，扫描月表地形并选择安全的着陆点。进入最终下降阶段后，直觉机器-2的速度降低至1m/s，并最终在15s内完成软着陆。直觉机器-2任务过程示意图如图6所示。按计划，着陆器于美国东部时间2025年3月6日着陆后，将部署钻探设备探测月壤中的挥发性物质。同时，微-新星将执行短程跳跃探索，进入永久阴影区收集数据。月面任务预计持续约10个地球日，直至月夜到来，此后着陆器将停止工作。然而，在着陆过程中，月球尘埃干扰导航系统，导致探测器撞上高原后倾斜翻滚，最终侧翻在阴影坑内。受此影响，其太阳能板的供电能力受损，任务团队在有限的时间内优先收集了科学数据。美国东部时间3月7日，直觉机器公司宣布，由于着陆器侧翻着陆，任务正式结束。同日，NASA确认，着陆器于美国东部时间1点15分停止运行，距离着陆时间不到13小时。全球高度关注月球南极水冰资源，各国纷纷开展探测任务，争取获得月球南极资源的先机。直觉机器-2作为商业探月任务，虽具备水冰钻探能力，但受技术和环境限制，探测能力有限。然而，该任务在导航、着陆与系统可靠性方面实现技术升级，为未来月球探测奠定基础，并通过公私合作模式加速商业航天发展，推动月球经济进程。月球水冰资源受关注，直觉机器-2探测能力受限月球南极因可能蕴藏丰富的水冰资源，已成为全球探测热点。各国高度重视月球水冰的战略价值，纷纷开展探测任务以获取科学先机。例如，美国的“月球坑观测与感知卫星”（LCROSS）和“月球勘察轨道器”（LRO）任务通过撞击月球南极永久阴影区，确认了水冰的存在，为“阿尔忒弥斯”载人登月计划奠定了基础。
中国“嫦娥”系列探测器持续关注月球南极，嫦娥四号成功着陆月球背面，并对南极-艾特肯盆地展开研究，为未来水冰探测提供科学数据。印度的月船-2（Chandrayaan-2）轨道器仍在持续观测月球南极的水冰分布。俄罗斯的月球-25（Luna25）虽未成功着陆，但其探测目标同样聚焦月球南极水冰，反映出全球对月球南极探测的高度关注。
直觉机器-2任务将通过钻探实验首次在月球表面直接探测和采样水冰，为未来月球资源开发提供关键数据支持。然而，直觉机器-2是一项成本受限的任务，探测水冰面临挑战。其搭载的钻探设备固定在着陆器上，无法进行大范围探测。此外，NASA研究人员指出，直觉机器-2的着陆点温度较高，不利于冰的长期存留，只有在附近陨石坑喷出的富冰物质残留的情况下，才可能探测到水冰。相比之下，能够跳跃移动的微-新星更有可能发现水冰。
相较于NASA曾取消的“毒蛇”（VIPER）月球车（具备长距离移动和多点钻探能力）或中国嫦娥七号的综合探测任务，直觉机器-2的探测范围和能力受限，仅凭其数据难以全面揭示月球南极的水冰分布。任务失败暴露系统局限性，为未来任务改进提供经验直觉机器-2任务原计划验证一系列关键技术，包括自主导航与避障、精确着陆及极端环境下的系统可靠性。然而，着陆过程中，月球尘埃干扰导航系统，导致探测器撞击高原后侧翻至阴影坑内，供电能力受损，任务运行不足13小时。
此次失败暴露了导航与控制系统在复杂地形环境下的局限性。相比直觉机器-1，直觉机器-2在导航、发动机推力控制和通信系统上做了改进，但依然没能解决低能见度环境下的测距误差和动力学控制不足的问题。激光测距仪与多传感器融合技术虽有所改进，但未能有效规避着陆风险。此外，发动机推力控制和通信系统在实际操作中未能充分适应复杂环境。尽管任务未能成功完成既定目标，但其暴露的问题为未来月球探测任务的技术改进提供了重要经验，特别是在导航系统冗余设计、着陆精度优化及极端环境适应性方面，为后续任务的可靠性提升奠定了基础。公私合作推动月球经济发展，任务加速商业探测进程直觉机器-2任务是CLPS计划的重要组成部分，标志着商业月球探测的加速推进。
通过CLPS计划，NASA与私营公司合作，降低了月球探测的成本，并推动了月球经济的商业化发展。直觉机器-2任务不仅承载着NASA的科学目标，还肩负着推动商业航天发展的使命。任务中搭载的微-新星跳跃探测器和“崛起”微型机器人等商业载荷，展现了商业公司在月球探测中的技术实力和市场潜力，进一步推动月球经济的发展。直觉机器-2任务的公私合作模式有效分摊了月球探测的成本，提高了任务的经济可行性。除了NASA的科学载荷外，任务还携带了来自其他国家和组织的商业探测设备。这种合作模式不仅降低了单个任务的资金压力，还促进了全球航天企业的参与，为多样化的科学研究和商业应用创造了机会。通过这一模式，NASA能够以更低的成本实现科学目标，同时推动商业航天公司在月球探测领域的深入布局，加速全球月球经济的发展进程。
