重要型号下马，无人月球车不简单

7月18日，美国宇航局宣布，取消“挥发物月球极地调查无人车”（VIPER，又译为“毒蛇”）任务，原因包括发射推迟、超支以及成本进一步膨胀的风险难以控制等。那么，VIPER无人月球车设计有哪些亮点？该项目被取消，体现了无人月球车面临哪些挑战？纵观各国航天计划，未来无人月球车借助新技术、新设计，发展趋势如何？

性能不俗 意外终结

VIPER无人月球车项目可以追溯到美国宇航局在2015年发布的“资源勘探者”任务，主要目标是探索月球终年不见阳光的“永久阴影区”约3个月，寻找潜在的水冰资源，初步研究其能否转化为饮用水、火箭燃料等，被宣传为“全球首个目标明确的外星球资源测绘任务”。

美国VIPER无人月球车执行任务想象图

该车设计质量约为430公斤，高2.45米，长、宽均为1.53米，采用太阳能电池板和四轮驱动，主要安装了4部科学设备：中子谱仪系统、近红外挥发物光谱仪系统、月壤质谱仪和样本钻取设备。

其中，中子谱仪系统用于测量月球表面的中子数量和能量变化，进而估算工作区域地下的氢含量。通俗地理解，当中子撞击与其大小相当的物体（如氢原子）时，中子会损失相当的能量。中子谱仪系统可以检测到中子这种变化，并由此推断出氢的存在。

近红外挥发物光谱仪系统有助于分辨无人月球车发现的含氢物质的性质，通过观测物质发射或吸收的光，精细识别其成分。比如，这种仪器可以精细分析，含有氢元素的物质究竟属于水分子或羟基，还是简单的氢原子，从而准确分辨出月表水资源的存在形式，还有可能探查到氨、甲烷等物质。

样本钻取设备昵称“冰钻”，计划通过钻探取样，分析、检测较深层的月壤构成。月壤质谱仪可以确认月壤中的其他矿物质成分。

按计划，VIPER无人月球车的仪器将协作呈现工作区域的精确特征，既能生成精细的彩色图像，揭示月壤成分，又能感应到月表微小尺度的温度变化，有助于精确控制科学实验环境，逐步测绘月球资源地质图。

这辆无人月球车最初计划于2023年底发射，但受制于配套的商业月球着陆器研制进度，2022年美国宇航局宣布，其发射推迟到2024年底。后来，整个项目供应链不时遭遇延迟，迫使VIPER无人月球车的完备日期又推迟到2025年9月，成本也一路上涨，如果发射进一步延迟，预算很可能会突破6亿美元。

最近，美国宇航局以“经费不足”和“防止妨碍其他商业月球有效载荷服务任务”为由，决定取消该任务，如果不能在8月1日前转卖，就将拆解已耗资约4.5亿美元、完成总装和部分测试的VIPER无人月球车，其部件、仪器未来也许会挪作他用。略带讽刺意味的是，外界长期认为，这是商业月球有效载荷服务中最昂贵且价值最大的任务。

挑战重重 不止技术

近年来，外界对新一轮探月大潮的关注主要集中在载人登月任务上，加之更多“国家队”和商业航天新势力积极投入研发、应用，外界对无人月球车逐渐不再有新鲜感，甚至产生了“简单易行”的错觉。事实上，无人月球车在研制、发射、运行等技术领域和工程管理、项目协调等非技术领域仍面临着不容忽视的挑战。

美国VIPER无人月球车进行组装测试

在研制方面，科研人员需要为无人月球车合理选配各种仪器设备，克服地月空间强辐射、复杂重力环境等特殊困难。无人月球车的供电能力问题同样值得关注。受制于火箭运力和容积，无人月球车分配给能源系统的质量和空间必须精打细算，而随着任务目标日益扩展，其搭载的仪器设备耗电量呈现显著增大的趋势。可以说，无人月球车的供电功率有多大，科学设备安装潜力和综合任务能力就有多大。

在发射方面，除了火箭运力、轨道规划、时间窗口、落月过程中发动机变推力调整及精确控制等传统因素外，随着越来越多的商业航天新势力参与探月任务，承载无人月球车的着陆器也成为影响任务成败的关键。

今年初，美国游隼号月球着陆器在奔月途中暴露阀门故障，导致加压氦气异常持续涌入燃料罐，引发爆炸，最终任务失败。该事故还迫使采用类似动力配置的狮鹫号月球着陆器重新修改设计，预计发射从今年底推迟到明年第三季度，而它恰恰是VIPER无人月球车原计划搭载的着陆器。

新 品 上 架

中国空间站3D文具盒

在运行方面，无人月球车必须适应无规律的月面复杂地形，克服斜坡、巨石、山口等，还要特别注意细小、锐利、黏稠的沉积月壤和带静电月尘，防范车轮等驱动机构损伤和电子设备遭破坏。考虑到地月距离、信号发射角度等难免造成通信延迟和“盲区”，无人月球车在必要情况下应该自主解决行驶和采样遇到的常见难题。

至于项目管理方面，VIPER无人月球车堪称典型的“反面教材”。美国宇航局取消该项目的直接目的是希望节省8400万美元，备受质疑：该项目之前获得拨款约4.3亿美元，却耗费了约4.5亿美元，很可能挤占了其他外星球任务经费，又长期陷于无人月球车、商业月球着陆器相继延迟的恶性循环中，表明预算控制、跨单位协调能力不佳。

外界认为，VIPER无人月球车是“阿尔忒弥斯计划”成本膨胀和管理混乱的牺牲品——仅为SLS重型火箭改进型建设移动发射塔架，美国宇航局就被迫投入超过15亿美元，而整个计划严重超支的地方太多，只能从“周边小项目”降低成本。但VIPER无人月球车实际上承担着预先探明航天员登月点和月球基地备选区的任务，为“省钱”被取消，后果难料。

双管齐下 降本赋能

近年来，各国探月热情愈发高涨，月球探测器的发射数量逐年提升。随着商业航天加速入局，国外部分公司声称，未来将常态化部署月球着陆器发射和无人月球车，加速勘测和开发地月空间资源。

日本多个月球着陆器携带了微型探月机器人

毫无疑问，无人月球车未来将在月球科研和产业发展中作出更大的贡献，前提是不断应用新技术，创新设计方案，提升任务效率，降低平均发射成本。

首先，无人月球车想要获得更强大的探索能力，必须提升基础技术水平。一方面，它有望得益于薄膜太阳能电池技术、新型燃料电池技术、放射性同位素热电发生器技术等突破性进展，大幅提高供电能力。另一方面，它应该具备更出色的越障能力和地形适应性，有必要在行走机构的结构设计、材料选用等领域加强攻关。

其次，为了探索月面更多未知区域，特别是涉足地形崎岖破碎的月球南极地区，无人月球车应当借助未来建成的地月空间通导遥综合系统支持，应用自主导航和智能驾驶系统。面对复杂路况，无人月球车未来有望自主避障，规划合理路径，减少对地球团队的依赖，提高任务安全性和效率。

此外，多国月球探测器近期增加了新成员——微小月面智能机器人，整体结构包括分离式球体、四轮小车、跳跃式多角状等，由月球着陆器或无人月球车自主释放后，开展自主规划路径、智能摄影、自动传输数据等工作。随着微电子等技术进步，它们将为无人月球车执行任务提供新助力。

最后，无人月球车研制和任务团队维持、协作都将耗费可观的成本，要求科研人员和管理者应在确保完成任务目标的前提下尽量探索降本增效的措施。

比如，可以使用人工智能辅助系统，帮助科研人员分析问题和方案，定位隐患和故障，降低不必要的人力和时间成本。再比如，针对未来更高频次发射需求，科研人员对探索区域环境更加熟悉后，可以尝试在无人月球车上使用更多可靠的商用标准化部件，广泛利用社会化大生产优势，降低成本，这对于商业探月活动相当重要。

本文原载于《中国航天报·飞天科普周刊》

文/石晓龙

本文转载自公众微信号：中国航天报

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