頂石：月球門戶空間站的探路者

文/董佳偉

北京時(shí)間6月28日17時(shí)55分52秒，美國火箭實(shí)驗(yàn)室的電子號(hào)火箭托舉光子上面級(jí)和頂石月球探測器成功從新西蘭瑪西亞半島LC-1B發(fā)射臺(tái)起飛。頂石月球探測器任務(wù)是美國宇航局月球門戶空間站在月球近直線暈軌道（NRHO）開展任務(wù)的探路先鋒，將探索長期在月球NRHO 軌道運(yùn)行和月球自主導(dǎo)航定位。頂石月球探測器為12U 立方星（20厘米×20厘米×34.05厘米），體積接近家用微波爐, 重約25千克。

▲ “電子號(hào)”尾焰

成功發(fā)射

頂石月球探測器全稱為“月地自主定位系統(tǒng)技術(shù)操作與導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)”（Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment，簡稱 CAPSTONE，譯為“頂石”）。發(fā)射9分鐘后，光子上面級(jí)和頂石月球探測器組合體成功和火箭二級(jí)分離，進(jìn)入高度165千米、傾角39.1°的近地停泊軌道。在隨后的5天里，光子上面級(jí)搭載的超居里發(fā)動(dòng)機(jī)通過多次點(diǎn)火，逐步抬升組合體的遠(yuǎn)地點(diǎn)高度至7萬千米。發(fā)射后第六天，超居里發(fā)動(dòng)機(jī)最后一次在近地點(diǎn)點(diǎn)火，將組合體加速至 10.97千米/秒從而達(dá)到地球軌道逃逸速度并踏上奔月之旅。最后一次組合體點(diǎn)火后 20 分鐘，頂石月探測器將從光子上面級(jí)頂部分離，獨(dú)自踏上前往月球的低能量轉(zhuǎn)移軌道（也稱彈道式地月轉(zhuǎn)移軌道）。途中頂石月球探測器將打開自帶發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行數(shù)次中途軌道修正確保探測器最終在2022年11月順利抵達(dá)月球NRHO軌道。

新模式的探索

為了應(yīng)對(duì)快速增長的地月空間政府或商業(yè)探測任務(wù)造成的地月系“交通堵塞”，除了軌道和操作方面的驗(yàn)證，“頂石”任務(wù)同時(shí)需要驗(yàn)證先進(jìn)空間（Advanced Space）公司為美國宇航局研制的月地自主定位系統(tǒng)CAPS。該系統(tǒng)不依靠地面對(duì)環(huán)月軌道飛行器進(jìn)行軌道測算，而是在月球軌道利用探測器進(jìn)行自主定位和導(dǎo)航。

▲ 采用彈道式地月轉(zhuǎn)移軌道的頂石探測器最遠(yuǎn)距離地球約150萬千米，將在發(fā)射后進(jìn)行多次中途軌道修正（TCM），TCM的時(shí)間將依據(jù)實(shí)際飛行需求做調(diào)整而發(fā)生變化，預(yù)計(jì)2022年11月13日抵達(dá)環(huán)月軌道

▲ 北京時(shí)間 2022 年6月28日，電子號(hào)火箭從新西蘭瑪西亞半島成功發(fā)射頂石月球探測器

通過多家商業(yè)公司和美國宇航局旗下相關(guān)研發(fā)中心的合作，“頂石”任務(wù)代表的不僅僅是美國宇航局載人重返月球阿爾忒彌斯計(jì)劃的開始，也開啟了一種最大化綜合利用商用和政府資源的新模式，這一快速執(zhí)行的小成本技術(shù)驗(yàn)證任務(wù)在傳統(tǒng)的美國宇航局深空探測任務(wù)里并不多見。該局于2019年和美國科羅拉多州先進(jìn)空間公司簽署價(jià)值 1370萬美元合同，該公司依據(jù)合同開發(fā)立方星，為月球門戶空間站未來使用的環(huán)月NRHO軌道進(jìn)行飛行驗(yàn)證。

頂石探測器展太陽翼展開模式（上）和太陽翼折疊模式（下）

“頂石”的任務(wù)目標(biāo)

驗(yàn)證NRHO軌道的可行性和地月系統(tǒng)高度動(dòng)態(tài)操作

首個(gè)任務(wù)目標(biāo)集中在消除在NRHO軌道繞月的不確定性技術(shù)屏障和展現(xiàn)NRHO軌道特性帶來的益處。這包括展示導(dǎo)航能力和驗(yàn)證長期在NRHO 軌道穩(wěn)定運(yùn)行的能力。這個(gè)任務(wù)積累的操作經(jīng)驗(yàn)將直接支持未來的航天器在這個(gè)獨(dú)特的環(huán)月軌道穩(wěn)定運(yùn)行。月球NRHO軌道處在地月引力平衡點(diǎn)附近，具有較高的軌道穩(wěn)定性，需要極小的軌道維持，是長期月球環(huán)繞器的理想軌道，因而被美國宇航局選為月球門戶空間站的軌道。

為未來月球探測積累經(jīng)驗(yàn)和掃清障礙

“頂石”任務(wù)的第二個(gè)任務(wù)目標(biāo)集中在建立在復(fù)雜環(huán)月軌道探測的運(yùn)行和管理經(jīng)驗(yàn)，這將有效支持未來包括載人登月在內(nèi)的月球探測任務(wù)，降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)并大大提高成功率。這其中包括逐步建立的商業(yè)月球服務(wù)實(shí)施能力的建立，如商業(yè)月球探測平臺(tái)和火箭發(fā)射能力。這一目標(biāo)旨在展示美國宇航局和相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速并經(jīng)濟(jì)地實(shí)施月球探測的航天工業(yè)能力。

展示和加速建立月地自主定位系統(tǒng)CAPS

這一任務(wù)目標(biāo)主要集中在在軌驗(yàn)證月球自主定位系統(tǒng)CAPS。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，美國宇航局戈達(dá)德空間飛行中心和先進(jìn)空間公司將聯(lián)手，頂石月球探測器將利用目前正在近月軌道運(yùn)行的月球勘察軌道器進(jìn)行環(huán)月軌道自主定位，并據(jù)此收集的數(shù)據(jù)來提高自主定位系統(tǒng)CAPS 軟件的技術(shù)準(zhǔn)備成熟度，從而加速CAPS的成熟速度并盡快應(yīng)用在未來的探月任務(wù)中。

任務(wù)規(guī)劃軌道

頂石月球探測器使用的是彈道式月球轉(zhuǎn)移軌道，而不是常用的霍曼轉(zhuǎn)移軌道。彈道式地月轉(zhuǎn)移軌道是一種低能量地月轉(zhuǎn)移軌道，它利用地球、月球和太陽三者對(duì)探測器的引力來降低燃料的消耗，發(fā)射后需要極小的能量消耗就能抵達(dá)其他行星或者衛(wèi)星，被目標(biāo)星體捕獲時(shí)幾乎不需要能量減速。為了實(shí)現(xiàn)月球彈道式捕獲，探測器發(fā)射后的最遠(yuǎn)距離將遠(yuǎn)高于月球環(huán)繞地球的軌道，在那里，太陽對(duì)探測器的引力將起到主導(dǎo)作用，探測器的繞地軌道近地點(diǎn)將被太陽引力抬升至接近月球環(huán)繞地球的軌道，從而在回落時(shí)，不需要消耗大量燃料就可以進(jìn)入環(huán)月軌道。中途需要進(jìn)行小幅軌道修正，小推力發(fā)動(dòng)機(jī)如離子電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)就可完成。

首篇闡述用于探測器的彈道式捕獲理論的相關(guān)論文于1987年發(fā)表。1990年1月24日，日 本 首 個(gè) 月 球探測器飛天號(hào)未能按計(jì)劃進(jìn)入遠(yuǎn)地點(diǎn) 47.6萬千米的大橢圓軌道，只達(dá)到了29萬千米。美國加州理工大學(xué)噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的愛德華·貝爾布魯諾和詹姆斯·米勒聽說后設(shè)計(jì)了一條低能轉(zhuǎn)移彈道式捕獲奔月軌道，并于同年6月21日提供給了日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)，被后者欣然接受并最終采納。

貝爾布魯諾和米勒提出的軌控方案基于弱穩(wěn)定邊界理論，只需要探測器自身少量的軌道修正就可以達(dá)到變軌并最終進(jìn)入月球軌道的目的。到了1991年10月2日，“飛天號(hào)”采用彈道式轉(zhuǎn)移軌道正式進(jìn)入了月球軌道，并最終于1993年4月10日完成探測任務(wù)之后在地面飛控的指揮下，受控撞擊月球表面。相比于霍曼轉(zhuǎn)移軌道，彈道式月球轉(zhuǎn)移軌道需要花費(fèi)更長的時(shí)間，頂石月球探測器將在發(fā)射后4個(gè)月抵達(dá)月球，而通過霍曼轉(zhuǎn)移軌道前往月球只需要三四天。但是彈道式月球轉(zhuǎn)移軌道將減少推進(jìn)劑的消耗，省下的推進(jìn)劑可以用于提升載荷的質(zhì)量，探測器載荷能力可以提高10%～15%。

▲ 2015年NRHO環(huán)月軌道模擬。左側(cè)為軌跡在地球?yàn)橹行牡奶?地球旋轉(zhuǎn)參考系的軌跡，右側(cè)為以月球?yàn)橹行牡牡厍?月球旋轉(zhuǎn)參考系的軌跡

有驚無險(xiǎn)的通訊故障

7月4日，發(fā)射后第六天，無線電愛好者通過美國宇航局聯(lián)系探測器的深空探測網(wǎng)絡(luò)（DSN）網(wǎng)站發(fā)現(xiàn)，頂石月球探測器停止了通過 DSN 下行信號(hào)和數(shù)據(jù)，同時(shí)位于全球三個(gè)地方的該局深空探測網(wǎng)絡(luò)開始利用大型深空天線輪流向探測器發(fā)射上行信號(hào)。7月5日，美國宇航局承認(rèn)探測器暫時(shí)失去了聯(lián)系，DSN 沒能接收到頂石探測器的下行信號(hào)。7月 6日21時(shí)26分，先進(jìn)空間公司的任務(wù)飛控團(tuán)隊(duì)成功和頂石探測器再次建立了通訊聯(lián)系。7月7日，美國宇航局發(fā)布了通訊故障原因。

地面飛控團(tuán)隊(duì)于7月4日對(duì)分離后的頂石探測器進(jìn)行設(shè)置和檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差并試圖調(diào)查原因，在試圖獲取無線電通訊系統(tǒng)的診斷信息時(shí)，地面人員發(fā)送了格式錯(cuò)誤的指令，導(dǎo)致無線電意外關(guān)閉。通常情況下，由于無線電是探測器和地面聯(lián)系的唯一通道，探測器的自我檢測系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)無線電關(guān)閉時(shí)會(huì)按照設(shè)計(jì)立即自動(dòng)重啟無線電，但是頂石探測器自檢系統(tǒng)沒能立即重啟無線電，存在設(shè)計(jì)缺陷。幾天之后，探測器飛控系統(tǒng)終于繞開這個(gè)缺陷，自主打開無線電重新聯(lián)系了地面。在關(guān)閉無線電的兩天時(shí)間里，頂石探測器自主保持了天線對(duì)準(zhǔn)地球、保持太陽翼不斷給電池充電，同時(shí)自主使用發(fā)動(dòng)機(jī)消除了反應(yīng)輪積攢的動(dòng)量。反應(yīng)輪是探測器內(nèi)部的轉(zhuǎn)輪，通過旋轉(zhuǎn)來控制探測器的姿態(tài)。

作為首個(gè)進(jìn)入月球NRHO軌道的探測器，抵達(dá)月球之后的頂石探測器，將直接進(jìn)入一個(gè)近月點(diǎn)在月球北極上方3000千米，遠(yuǎn)月點(diǎn)在月球南極上方7萬千米，周期7個(gè)地球日的 NRHO 軌道，并計(jì)劃在軌開展軌道維持以及利用近月軌道上的月球勘察軌道器進(jìn)行月球自主導(dǎo)航定位試驗(yàn)。近直線意味著軌道的部分分段相對(duì)于大橢圓軌道具有更大曲率，而在別的分段又有更小的曲率。頂石探測器計(jì)劃在月球NRHO軌道工作半年。其后工作如何，讓我們拭目以待。