互动科普

去年，随着美国航空航天局（NASA）宣布航天飞机退役，一个时代落下帷幕。下一代登月计划或将与NASA无关，而一些小本经营的私人公司将会接班，展开一场新的登月竞赛。谁将在这场竞争中胜出呢？

撰文 迈克尔·贝尔菲奥雷（Michael Belfiore） 翻译 王丹

威廉·“雷德”·惠特克（William ‘Red’ Whittaker）是卡内基·梅隆大学的一位机器人学教授，他和学生们共同打造了这台叫做“红色漫游车”（Red Rover）的机器人，目标是赢取“谷歌月球X大奖”（Google Lunar X PRIZE）。该奖项旨在推动私人企业进入太空探索领域，激励它们开发出更好更先进的宇宙飞行技术。“谷歌月球X大奖”的冠军奖金高达2 000万美元，这笔钱将帮助第一支非政府团队将它们的机器人送上月球，然后在月球上走上大约半英里（1英里约合1.62千米），并将拍摄到的高分辨率视频发回地球——所有计划将在2015年底之前执行。亚军也能获得500万美元奖金，再加上颁发给其他优胜者——例如抵达“阿波罗号”（Apollo）飞船某个着陆点的项目，“月球X大奖”的总奖金将达到3 000万美元之巨。尽管参与角逐的队伍有26支，但惠特克的领先优势已经非常明显。他创建的美国宇宙机器人技术公司（Astrobotic Technology），是第一支已经获得订金，用以制造能携带宇宙飞船和月球车的火箭的团队。惠特克还证明了，在打造能自主行动、应对各种极端环境的月球车这方面，他的团队也是佼佼者。

对美国的太空计划来说，“谷歌月球X大奖”无疑是一个重要的转折点。2010年，根据美国载人飞行计划评审委员会提出的建议，美国总统奥巴马要求，NASA要鼓励私人企业开发太空飞船，用以替代退役的航天飞机。有了NASA的投入以及“种子资金”的帮助，我们有理由相信，私人企业能够设计并建造出太空飞船，而且相比以往为美国政府提供相关产品的大承包商，私人企业的研发速度更快，价格优势更明显。

基于同样的宗旨，“谷歌月球X大奖”希望能孕育出新一代行星探索计划，以便不再依赖成本高昂的一次性飞船和变换不定的太空政策。这样，研究者就可以通过付费的方式，雇佣私人企业的飞船，将月球车或实验设备送至指定位置。NASA自身也加大了刺激力度——拨出3 010万美元，分别资助6个研究团队，用以解决美国政府开发的那些月球车所遇到的技术阻碍，例如如何熬过月球上的漫长夜晚。尽管在“谷歌月球X大奖”之后，私人太空飞船公司的命运会非常不确定，也有人不大看好这些公司的市场前景，但对于商业资金进入太空科学领域，许多研究者都对前景充满期待。

试验发射

在“谷歌月球X大奖”之前，还有一个类似奖项——“安萨里X大奖”（Ansari X PRIZE）。这个总奖金为1 000万美元的奖项于2004年颁布，“太空船一号”（SpaceShipOne）最终问鼎，成为第一架飞出大气层的私人造载人航天器。“太空船一号”火箭由美国Scaled Composites公司打造，该公司获得了微软巨头保罗·艾伦（Paul Allen）的资金支持。现在，美国维珍银河公司（Virgin Galactic）又在进行“太空船二号”（SpaceShipTwo）的研发工作。该项目已经获得了6 000多万美元的资金支持——这笔钱来自个人捐赠，每位捐款者支付20万美元，就可以获得遨游太空、体验微重力（microgravity，几乎接近失重）环境、从太空中遥望地球的机会。NASA也与维珍银河公司以及其他6家私人公司签订了合同，到时NASA将借助“太空船二号”和其他公司的飞行器，将实验设备送入太空，进行各种有挑战性的实验，例如在失重环境下传输燃料。现在，“谷歌月球X大奖”的组织者希望，能复制“安萨里X大奖”的成功，推动行星探索机器人的发展。

在月球机器人的研制上，有资格与雷德·惠特克相提并论的人屈指可数。现年63岁的惠特克一直在研制野外机器人（在野外，而不是汽车制造厂等可控环境中，让机器人完成一些有意义的工作），在这个领域，他可能是走得最远的。上世纪80年代，惠特克设计并制造的机器人，就在三里岛核电站事故中派上用场，机器人搜索了因堆芯部分熔毁而具有放射性的危险地带。从那时候起，作为卡内基·梅隆大学野外机器人研究中心（Field Robotics Center）的创始人和领导者，惠特克的研究生涯便开始了一段新的征程：研制自主机器人。他打造的机器人能在南极冰原上搜寻陨石，还能爬上美国阿拉斯加或南极洲那些活火山，钻进火山口一探究竟。

2007年，惠特克打算参加“谷歌月球X大奖”。当时，他还在参与另一场竞赛：美国国防部高级计划研究局（DARPA）的“城市挑战”（Urban Challenge），由美国乔治空军基地（George Air Force Base，现已关闭）举办。惠特克和学生给自己的队伍起名“Tartan Racing”。他们与美国通用公司、德国大陆集团（Continental）以及其他赞助商合作，打造出了一辆无须驾驶员驾驶的雪佛兰“Tahoe”汽车，并起名为“老板”（Boss）。尽管在这次史无前例的无人驾驶汽车街头大赛上，惠特克勇夺冠军，但这并没有耽误他完成一份课程计划，叫做“先进移动机器人开发”。这一课程的目标是， “详细说明、分析、模拟一个机器人月球着陆器，对月球车进行实地测试，帮助企业解决一些技术难题，并通过文字、图片和视频来交流任务进展”。课程会向卡内基·梅隆大学所有专业、所有年级的学生开放。

同一时间，惠特克还与已在太空领域打拼多年的企业家戴维·甘普（David Gump）一起，创立了以营利为目的宇宙机器人公司（Astrobotic Technology）。甘普负责说服赞助商和潜在客户，而惠特克提供的，则是他在野外机器人研究中心的那29年里所积累的丰富知识。美国铝公司（Alcoa）是赞助商之一，它捐赠的铝将用于建造一艘宇宙飞船，把月球车送往月球表面。

有意思的是，惠特克介绍说，作为一名前美国海军陆战队成员、一个化学家的儿子、一名脾气火爆的销售人员，将他团队的发明送到月球，意味着他曾经的职业生涯将在这个机器人上得到再现：在陆上、在水上、在水下、在地下，以及在所有地球上的极端环境中。在惠特克看来，拿到大奖，不等于征服了月球。除非完成了所有附加任务，宇宙机器人公司才算取得了成功。“如果不能把方方面面都做好，”惠特克说，“就等于什么也没做。”

火箭科学

把宇宙机器人公司的飞船和月球车送上月球，惠特克对未来的憧憬，需要从美国太空探索科技公司（SpaceX）的“猎鹰9号”运载火箭（Falcon 9 rocket）开始。太空探索科技公司当初创立的目标，就是要大幅降低进入太空的“门槛费”，因此该公司可能是“谷歌月球X大奖”的关键促成者。惠特克相信，对所有参加这场竞争的队伍来说，太空探索科技公司的火箭都将是合适的“交通工具”。“从我了解的情况来看，美国的每一位参赛者，都会选择太空探索科技公司，”惠特克说。即使如此，对任何一支队伍而言，发射成本仍是一笔巨大开支。尽管比其他同类火箭便宜，“猎鹰9号”运载火箭公开的发射成本，也达到了5 400万美元——相当于“谷歌月球X大奖”冠军奖金的两倍多。虽然太空探索科技公司的竞争者不愿意谈论自己的发射计划，但有一点非常清楚，太空探索科技公司已经彻底颠覆了商业发射市场。要知道，史上最贵的单次商业发射价格高达4.92亿美元——那是当年美国卫星通信公司铱星公司（Iridium）创下的记录。

当“猎鹰9号”带着“红色漫游车”飞离地球大气层后，宇宙机器人公司的“飞船—月球车”组合就将丢弃安装在火箭顶部、起保护作用的整流罩（fairing），火箭的二级引擎将继续推动飞船和月球车驶向月球。从地球到月球需要飞行5天。由卡内基·梅隆大学开发的导航、制导与控制软件，将保证火箭处于正确的轨道。事实上，这款软件可谓“系出名门”，它的前辈已经让“Tartan Racing”称霸“城市挑战”。在计算机技术上，汽车自主行驶和飞船自动航行的差别并不大——它们依赖的是同一类数学模型，这就是两类导航软件很相似的原因。两类导航系统的主要区别在于，飞船无法依靠全球定位系统（GPS）来导航，凯文·彼得森（Kevin Peterson）介绍说，他目前是宇宙机器人公司团队中的一位博士研究生。飞船得参照恒星、月球以及地球的位置，来绘制通向月球的航路。

一旦进入绕月轨道，飞船和月球车就必须降落到月球表面。1969年，美国宇航员阿姆斯特朗（Neil Armstrong）曾首次驾驶登月舱，从绕月轨道抵达月球表面的特定位置，避开了月球自身的一些风险因素，例如岩石与环形山。但由于地球和月球相距384 400千米，如果通过地球上的人员来控制飞船，信号会有延迟，无法做到实时控制。因此，飞船的软件需要自主完成导航任务，就像当年阿姆斯特朗手动操作的那样。

当快要抵达月球时，一个初级下降引擎将点火，让飞船不断降低速度。同时，一个小型推进器将维持飞船的平衡。在开始下降两天后，飞船将在月球表面着陆。届时，着陆器会展开两条斜轨（其中一个是备用的，以防其中一条轨道受到岩石或环形山阻碍，无法展开）。斜轨原本是靠着梯子折叠着的，由螺栓固定住，但在极高的温度下，螺栓会打开。两条斜轨将飞船和月球表面连接起来后，月球车将沿着任意一条斜轨踏上月球表面，它们的“双眼”将不断扫描前方的地面。月球表面的尘土非常滑，因此要想通过计算月球车的轮子转动了多少圈来精确计算行驶距离，是很难做到的事。取而代之的方法是，月球车上的计算机，随着月球车的移动，通过对比月球表面特征的变化，最终计算出移动距离。由于月球没有大气，因此未经过滤的太阳光和宇宙辐射将直抵月球表面，这时，经过防辐射加固处理的组件，能够保护计算机免受伤害。

而在匹兹堡，宇宙机器人公司设有太空航行地面指挥中心。在登月期间，该团队的成员将24小时轮班，不间断地传送低分辨率图片，引导“红色漫游车”前往他们感兴趣的地方（他们还希望能到达“阿波罗号”登月时的某个着陆点）。这部月球车将自主避开月球表面那些障碍物。它还会将拍摄到的高分辨率视频编码、打包，发回地球。“红色漫游车”至少将拍摄两段视频，一次是在刚刚登陆月球表面之后，另一次将按照“谷歌月球X大奖”的需求来拍摄。“红色漫游车”还将在月球上发邮件，上tweeter，以及在Facebook上发帖。

对宇宙机器人公司的团队来说，由于月球的昼夜周期极长，这里的每一个白天和夜晚，都相当于地球上的两个星期，因此在这种极端条件下，如何确保“红色漫游车”顺利运行是一个很大的技术难题。据研究团队的推测，在长达两周的黑夜里，“红色漫游车”着陆点附近的月球表面温度，将从白天的120℃急剧下降到-172℃左右。所有含有水成分的组件，例如电池，都将因水凝结成冰，体积膨胀，而遭受无法补救的破坏。唯一一辆在月球上成功挺过昼夜极端环境考验的月球车，是前苏联的“Lunokhod”号，这辆远程遥控的月球车于上世纪70年代登陆月球，依靠放射性元素钋的一种同位素来保温。

但是，宇宙机器人公司和其他竞争“谷歌月球X大奖”的私人企业，都很难获得这种受到严格管制的材料。为了保护“红色漫游车”，不被阳光直晒产生的高温毁坏，宇宙机器人公司的研究者在电池周围使用了一种碳纤维结构，可以将热量传递到漫游车的外表面。而在晚上，“红色漫游车”将进入冬眠模式，而当白天来临，阳光激活一种无水锂离子磷酸铁电池后，漫游车就会“苏醒”。这种电池已经经过了卡内基·梅隆大学机械工程学学生查尔斯·穆诺兹（Charles Munoz）极其严酷的测试。

这种创新性的保护模式性价比极高，也是“X大奖”希望达到的一个目的。尽管宇宙机器人公司极有可能获得“谷歌月球X大奖”的冠军，但它也将面对来自印度和俄罗斯的有力挑战，两国已经开始联合研发月球车。此外，中国力量也不可忽视，中国目前正在打造自己的月球车，在月球的夜晚，中国月球车将使用放射性同位素来提供能量。如果这些竞争对手率先将月球车送到月球，“谷歌月球X大奖”的冠军奖金将降至1 500万美元。

激烈的竞争

惠特克的团队也希望能跟 “谷歌月球X大奖”的其他参与者真刀真枪地干一回。在所有参加“谷歌月球X大奖”的团队中，加利福尼亚州山景城的月球快车公司（Moon Express）是资金最雄厚的一支，它的合伙创始人包括超级亿万富翁纳温·杰恩（Naveen Jain），还有一些富有的个人投资者。这家公司直到2010年才宣布加入竞争，但这时“谷歌月球X大奖”开始已有3年，因此它们目前落后于宇宙机器人公司。

但是，由于有NASA此前开发出的宇宙飞船平台助阵，因此作为后来者，月球快车公司已在逐渐扳回劣势。另一个有力竞争者是来自科罗拉多州的Next Giant Leap公司，公司老板叫迈克尔·乔伊斯（Michael Joyce），曾是美国空军的一名飞行员。乔伊斯的公司与德雷珀实验室（Draper Laboratory）进行了合作，这家实验室来自麻省理工学院，同时还是美国内华达山脉股份公司（Sierra Nevada Corporation）负责空间系统的一个分支机构。乔伊斯的团队打造了一款新奇的“跳跃”宇宙飞船，有了它就不再需要单独的月球车了。在着陆之后，这款飞船能够重新点燃原本辅助着陆的助推器，从而再次起飞，前往着陆点附近的一些有意义的考察点。这个思路看上去行得通，但需要乔伊斯筹集到足够资金，否则无法实现。

“谷歌月球X大奖”的组织者希望，一旦参与者研制出了产品，这个市场也会随之形成——发展中的月球车，以及将它们送上月球的任务，将推动一个新市场的发展。例如，宇宙机器人公司的宇宙飞船和月球车都提供了商用空间，价格分别是180万美元/千克和200万美元/千克，另外还外加一笔25万美元的“集成费”。至少对美国马里兰大学的物理学家高格拉斯·居里（Douglas Currie）这样的研究者来说，价格固定的商业发射，将是一件很好的事情。居里和同事打算将一台激光测距逆向反射镜阵列（array of laser ranging retro reflectors）安置在月球表面。要是能够顺利地在月球上安置好这台仪器，利用它测得的地月距离，将比以前（利用搭载“阿波罗号”送上月球的那些反射体进行测量）测得的结果精确100倍以上。

也许，“谷歌月球X大奖”最持久的好处，是激励了下一代科学家和工程师。这场竞赛给惠特克的“先进移动机器人发展”课程带来了最具现实意义的刺激。2011年4月，“先进移动机器人发展”课程的最后一周，在宇宙机器人公司负责结构的研究团队的奔走和努力下，占地近300平米的卡内基·梅隆大学行星机器人实验室成立了，这个实验室完全专注于月球车项目。他们测试了分割式金属螺栓设计，这种新方法将替代传统的爆炸式螺栓，用来控制斜轨的展开。已经毕业的甘奇·纳亚卡和一群在校生一起，利用一部高速摄像机，拍下了上述模拟测试过程。在学生们按下开关17.9秒之后，只听“砰”的一声，螺栓分开了，斜轨弹出并落到地面上，月球车沿着这条斜轨开始月球之旅。

“棒极了！”纳亚卡感叹道。她从摄像机旁走开，冲着旁观者们咧嘴笑了：“希望一切顺利！”