許健，王平，黃克武，王丹，趙毓，余歡，侯振東

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

0 引言

新世紀(jì)以來，隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對月球探索的日趨深入，美、日、俄、印度等國都提出了載人月球探測的目標(biāo)，并將月球的可持續(xù)發(fā)展作為了航天引領(lǐng)的主要方向，也是向更遠(yuǎn)深空邁進(jìn)的階段目標(biāo)[1-2]。

北京時(shí)間2024 年2 月15 日14 時(shí)05分，美國直覺機(jī)器（Intuitive Machines，IM）公司IM-1 任務(wù)的Nova-C 級(jí)月面著陸器-奧德修斯號(hào)（Odysseus）搭載獵鷹9 號(hào)（Falcon 9）火箭，在NASA 肯尼迪航天發(fā)射中心的LC-39A 綜合發(fā)射架發(fā)射升空。發(fā)射后約48 min，奧德修斯號(hào)著陸器進(jìn)入預(yù)定軌道。北京時(shí)間2 月23 日7 時(shí)23分，奧德修斯號(hào)在歷經(jīng)長達(dá)8 天的發(fā)射、地月轉(zhuǎn)移、環(huán)月飛行后，著陸于月球南極的馬拉珀特A 隕石坑附近，成為了1972年阿波羅17 號(hào)以來第一個(gè)在月球表面軟著陸的美國航天器。盡管奧德修斯號(hào)最終以傾倒?fàn)顟B(tài)著陸在一個(gè)地形傾斜12°的隕石坑中，且高速通信鏈路未能建立，但成功傳輸回了超過350 Mbit 的科學(xué)載荷數(shù)據(jù)，NASA 與IM 公司仍認(rèn)為IM-1 任務(wù)取得了成功。

奧德修斯號(hào)為IM 公司的Nova-C 級(jí)月球著陸器首個(gè)產(chǎn)品，也是NASA 商業(yè)月球有效載荷服務(wù)（Commercial lunar payload services，CLPS）計(jì)劃的第二次發(fā)射。IM-1 任務(wù)是CLPS 計(jì)劃和阿爾忒彌斯登月計(jì)劃[3]的重要組成部分，其目的是將12個(gè)載荷（其中6 個(gè)為NASA 科學(xué)載荷，6 個(gè)為商業(yè)載荷）運(yùn)送至南極附近，同時(shí)驗(yàn)證液氧甲烷低溫推進(jìn)系統(tǒng)、精確著陸控制系統(tǒng)、LDN 通信服務(wù)等。本文旨在對奧德修斯號(hào)著陸器進(jìn)行分析，總結(jié)其對我國航天事業(yè)發(fā)展，特別是載人月球探測任務(wù)的啟示。一得之見，以期拋磚引玉。

1 航天器及任務(wù)概述

1.1 整器構(gòu)型

如圖1 所示，Nova-C 級(jí)著陸器高4.3 m，寬1.6 m，發(fā)射重量1908 kg，干重675 kg，最大月面載荷攜帶能力為130 kg[4]。著陸器原始設(shè)計(jì)為圓柱形，后由于載荷安裝問題更改為切面為六邊形的近圓柱體。著陸器共包含6 條著陸腿，展開后包絡(luò)為4.3 m×4.6 m。其太陽翼不可旋轉(zhuǎn)，具備最高788 W 的發(fā)電能力，在月面最高能夠提供200 W 電力，搭載的科學(xué)載荷只在太陽翼接收到光照后啟動(dòng)工作。

圖1 奧德修斯號(hào)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the Odysseus

GNC 分系統(tǒng)配置IMU、光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)和激光測距儀用于實(shí)現(xiàn)自主著陸和危險(xiǎn)檢測，著陸后仍能通過執(zhí)行垂直起飛、巡航和垂直著陸等過程在第二個(gè)著陸點(diǎn)著陸。

Nova-C 最大的亮點(diǎn)為推進(jìn)系統(tǒng)，是世界上第一個(gè)采用液氧甲烷低溫推進(jìn)劑的航天器，比沖320 s，主發(fā)動(dòng)機(jī)推力3100 N。發(fā)動(dòng)機(jī)繼承了NASA 墨菲斯計(jì)劃的技術(shù)，其VR900 擠壓式主發(fā)動(dòng)機(jī)使用甲烷和氧氣作為液體推進(jìn)劑，通過氦氣增壓，產(chǎn)生4000 N 推力。

1.2 飛行過程

如圖2 所示，IM 公司為奧德修斯號(hào)整個(gè)飛行過程設(shè)定了16 個(gè)里程碑式成功標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 IM-1 任務(wù)飛行成功標(biāo)準(zhǔn)Fig.2 Success criteria of IM-1 mission

1)發(fā)射（Launch）

由SpaceX 公司獵鷹9 號(hào)火箭從NASA 肯尼迪航天中心的39A 發(fā)射場發(fā)射升空[5]。

2)器箭分離（Launch Vehicle Separation）

奧德修斯號(hào)與運(yùn)載火箭第二級(jí)分離之后飛向月球，器箭分離過程如圖3 所示。分離前奧德修斯號(hào)處于待機(jī)狀態(tài)，分離后制導(dǎo)導(dǎo)航與控制（GNC）系統(tǒng)、自動(dòng)飛行控制（AFM）軟件、測控和熱控系統(tǒng)開始工作。

圖3 器箭分離照片F(xiàn)ig.3 Photo of probe and rocket separation

3)自主測試（Autonomous Commissioning）

在器箭分離后的幾分鐘內(nèi)，奧德修斯號(hào)啟動(dòng)自主測試。首先，由GNC 系統(tǒng)使用冷氦氣反應(yīng)控制系統(tǒng)控制整器姿態(tài)，并通過星敏感器和太陽敏感器控制方向，使側(cè)面太陽翼面向太陽。當(dāng)太陽翼達(dá)到最大發(fā)電功率后，無線通信機(jī)開啟，首次與Nova 控制中心建立連接。

4)發(fā)動(dòng)機(jī)測試（Engine Commissioning）

在自主測試完成后，Nova 控制中心的飛控人員啟動(dòng)低溫推進(jìn)系統(tǒng)的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)測試。此發(fā)動(dòng)機(jī)是本次任務(wù)的亮點(diǎn)。首先，將低溫甲烷和氧氣輸送至發(fā)動(dòng)機(jī)，以調(diào)節(jié)推進(jìn)系統(tǒng)的溫度。機(jī)載自動(dòng)飛行管理AFM 系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)火時(shí)間（TIG）。在TIG的前幾秒，反應(yīng)控制系統(tǒng)控制燃料罐內(nèi)的液態(tài)甲烷和氧氣的比例。然后，主發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火器啟動(dòng)，點(diǎn)燃燃燒室內(nèi)的甲烷與氧氣。在飛行期間，航天器通過調(diào)整雙軸萬向環(huán)控制主發(fā)動(dòng)機(jī)的角度，保持恒定姿態(tài)。

5)軌跡修正機(jī)動(dòng)（Trajectory Correction Maneuvers）

在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，飛控團(tuán)隊(duì)在每次變軌中使用B-Plane 坐標(biāo)系評(píng)估當(dāng)前奧德修斯號(hào)距離目標(biāo)環(huán)月軌道的距離并及時(shí)修正，保證著陸器能夠順利被捕獲，進(jìn)入月球軌道。

6)月球軌道注入姿態(tài)機(jī)動(dòng)（Maneuver to Lunar Orbit Insertion Attitude）

在3 次軌道修正機(jī)動(dòng)時(shí)，飛控人員均將著陸器的高增益天線對準(zhǔn)地球，保證與Nova 控制中心的高速通信。完成3 次機(jī)動(dòng)后，奧德修斯號(hào)在進(jìn)入月球軌道前通過RCS 系統(tǒng)進(jìn)行逆向定向，發(fā)動(dòng)機(jī)對準(zhǔn)月球。

7)月球軌道注入（Lunar Orbit Insertion）

奧德修斯號(hào)以800 m/s 至900 m/s 的速度進(jìn)入100 km 的圓形近月軌道，如圖4 所示，并進(jìn)行整器狀態(tài)檢查，做好著陸準(zhǔn)備。

圖4 奧德修斯號(hào)進(jìn)入月球軌道后的回傳照片F(xiàn)ig.4 Photo transmitted back after Odysseus entered lunar orbit

8)近月軌道（Low Lunar Orbit）

在每次環(huán)月飛行期間，奧德修斯號(hào)均有75 min的測控區(qū)，以及45 min 非測控區(qū)。

9)下降軌道注入（Descent Orbit Insertion）

奧德修斯號(hào)主發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，將著陸器高度由100 km 降低至約10 km處，并以滑行方式接近著陸點(diǎn)。著陸器在10 km 高度處的回傳照片如圖5所示。下降軌道注入后1 h后，GNC 系統(tǒng)再次啟動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行動(dòng)力下降。

圖5 奧德修斯號(hào)10 km 高度時(shí)的回傳照片F(xiàn)ig.5 Photo transmitted back by Odysseus at 10 km altitude

10)地形相對導(dǎo)航（Terrain Relative Navigation）

如圖6 所示，奧德修斯號(hào)通過地形導(dǎo)航傳感器和激光測距儀進(jìn)行地形相對導(dǎo)航。

圖6 奧德修斯號(hào)地形導(dǎo)航傳感器回傳照片F(xiàn)ig.6 Photo transmitted back by the terrain relative navigation of Odysseus

11)啟動(dòng)動(dòng)力下降（Powered Descent Initiation）

奧德修斯號(hào)啟動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行減速，到達(dá)距離著陸點(diǎn)大約2 km 處。

12)姿態(tài)調(diào)整（Pitch Over with Main Engine）

在動(dòng)力下降段結(jié)束時(shí)，奧德修斯號(hào)使用主發(fā)動(dòng)機(jī)控制著陸器俯仰角度，靠近著陸區(qū)。

13) 危險(xiǎn)探測和規(guī)避（Hazard Detection and Avoidance）

奧德修斯號(hào)的自動(dòng)飛行控制AFM 軟件選擇坡度最小的安全著陸點(diǎn)進(jìn)行著陸，在此期間，發(fā)動(dòng)機(jī)將進(jìn)行連續(xù)功率下降調(diào)節(jié)，補(bǔ)償推進(jìn)劑重量的逐漸降低對奧德修斯號(hào)著陸的影響。

14)垂直下降（Vertical Descent）

如圖7 所示，奧德修斯號(hào)的GNC 系統(tǒng)控制著陸器飛至距離指定著陸點(diǎn)（DLS）上方約30 m處，同時(shí)控制著陸器以3 m/s 的速度垂直下降。當(dāng)著陸器距離月球表面10 m 高度時(shí)，著陸器的下降速度應(yīng)減速至1 m/s。

圖7 奧德修斯號(hào)垂直下降階段回傳照片F(xiàn)ig.7 Photo transmitted back by Odysseus during the Vertical Descent

15)最終下降（Terminal Descent）

在最終下降時(shí)，受限于月塵影響，奧德修斯號(hào)僅使用慣性測量單元IMU 進(jìn)行加速度感知。

16)著陸（Landed）

奧德修斯號(hào)預(yù)定以1 m/s 的垂直速度和0m/s 橫向速度著陸，實(shí)際著陸情況如圖8 所示，著陸時(shí)垂直速度為3 m/s，水平速度為2 m/s。著陸地點(diǎn)為馬拉珀特A，即馬拉珀特隕石坑的衛(wèi)星坑，距離月球南極約300km。附近的馬拉珀特山脈是NASA 阿爾忒彌斯-3 任務(wù)正在考慮的13 個(gè)候選著陸區(qū)之一。

圖8 奧德修斯號(hào)著陸后的回傳照片F(xiàn)ig.8 Photo transmitted back by Odysseus after landing

1.3 載荷配置

作為NASA CLPS 計(jì)劃的重要組成部分，奧德修斯號(hào)在有限的空間內(nèi)搭載了多達(dá)12 個(gè)載荷。其中6 個(gè)為NASA 的科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷，6 個(gè)為商業(yè)載荷[6]。本小節(jié)重點(diǎn)介紹6 個(gè)NASA 載荷。

1.4 任務(wù)評(píng)價(jià)

奧德修斯號(hào)著陸器在飛行過程中，經(jīng)歷了諸如激光測距儀無法打開、多普勒導(dǎo)航雷達(dá)數(shù)據(jù)無法使用、著陸腿折斷等問題，但仍實(shí)現(xiàn)了美國在1972年后的首次月球軟著陸，并傳回了科學(xué)載荷數(shù)據(jù)。NASA 和IM 公司的聯(lián)合發(fā)布會(huì)認(rèn)為本次IM-1 任務(wù)完成了以下8 個(gè)重大成就[7]：

1)實(shí)現(xiàn)了阿波羅17 號(hào)以來的首次美國月球軟著陸；

2)通過首次液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的深空點(diǎn)火以及多次重啟，驗(yàn)證了公司專有的液氧甲烷低溫推進(jìn)系統(tǒng)的性能；Nova-C 成功實(shí)現(xiàn)全球首臺(tái)擠壓式4000 N空間液氧/液甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，包括發(fā)動(dòng)機(jī)全推力和變推力，比沖高達(dá)320 s，此為著陸器最大的亮點(diǎn)。液氧/甲烷理論比沖高達(dá)370 s，同時(shí)考慮易獲取性，無毒性、以及未來行星表面原位資源利用的前瞻性，是未來深空探測航天器發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)關(guān)注的方向；

表1 NASA 載荷Table 1 NASA payload

3)成為首個(gè)成功在月球著陸并在地月間傳輸科學(xué)數(shù)據(jù)的商業(yè)領(lǐng)域公司和NASA CLPS 計(jì)劃供應(yīng)商；

4)著陸地點(diǎn)比現(xiàn)有其他任務(wù)著陸器都更靠近南極，為NASA 的阿爾忒彌斯計(jì)劃載人登月任務(wù)打下基礎(chǔ)；

5)飛行距離超過60 萬英里（約合96.6 萬公里），并在其預(yù)定的馬拉珀特A 著陸區(qū)域內(nèi)距離目標(biāo)著陸點(diǎn)不到1.6 km 處軟著陸，驗(yàn)證了其高精度導(dǎo)航功能；

6)傳輸了超過350 Mbit 的科學(xué)載荷數(shù)據(jù)；

7)超過了在月球表面運(yùn)行144 h 的任務(wù)目標(biāo)，于2024 年2 月29 日進(jìn)入待機(jī)模式，并可能在下一個(gè)月球日重新喚醒；

8)根本上顛覆了登月經(jīng)濟(jì)學(xué)，向商業(yè)客戶和NASA 展示了前所未有的經(jīng)濟(jì)性和效率。

2 故障梳理與分析

在奧德修斯號(hào)著陸器的飛行過程，發(fā)生了11次故障，影響了著陸器任務(wù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。已披露的故障起因與處置措施，體現(xiàn)了商業(yè)航天公司鮮明的優(yōu)勢與劣勢。

2.1 星敏感器故障

奧德修斯號(hào)進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道后不久，星敏感器失效，導(dǎo)致著陸器姿態(tài)控制與方向控制失效，開始翻滾，太陽翼發(fā)電效率和與地面的測控通信也同時(shí)受到影響，幾乎導(dǎo)致任務(wù)失敗。在通信恢復(fù)的短暫時(shí)段內(nèi)，地面人員重置了星敏感器，此時(shí)距離奧德修斯號(hào)電池耗盡僅剩3 h。

2.2 激光測距儀失效

在計(jì)劃著陸的幾小時(shí)前，IM 地面Nova 控制中心對奧德修斯號(hào)落月相關(guān)的機(jī)載設(shè)備進(jìn)行自檢。地面人員將機(jī)載激光測距儀狀態(tài)設(shè)置為“打開”，但遙測數(shù)據(jù)顯示該設(shè)備并未進(jìn)入工作狀態(tài)。經(jīng)分析，位于著陸器Bay2 和Bay5 的2 臺(tái)測距儀的手動(dòng)硬件保險(xiǎn)均未打開。在發(fā)射前，地面工作人員未按要求解鎖激光測距儀上的硬件保護(hù)裝置。

在發(fā)射前的測試階段，公司考慮到成本和時(shí)間約束，未對激光測距儀測試，同時(shí)工作人員也未仔細(xì)核對Checklist，導(dǎo)致該問題一直未被發(fā)現(xiàn)。

所幸，奧德修斯號(hào)搭載的NASA 的科學(xué)載荷NDL 可以提供速度測量信息，因此IM 公司組織了3 個(gè)小組進(jìn)行軟件改寫工作，將NDL 的數(shù)據(jù)傳輸至星載導(dǎo)航系統(tǒng)，其中一支負(fù)責(zé)軟件編制、一支負(fù)責(zé)軟件測試、另一支負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程注入，在1.5 h 內(nèi)完成了正常航天軟件開發(fā)中需要1 個(gè)月完成的軟件改寫工作。

然而，目前IM 公司認(rèn)為，由于在修改星上軟件時(shí)，并未復(fù)制數(shù)據(jù)有效標(biāo)簽，導(dǎo)致奧德修斯號(hào)的星載計(jì)算機(jī)無法處理NDL 發(fā)送的數(shù)據(jù)，因此奧德修斯號(hào)實(shí)際上是在沒有準(zhǔn)確高程信息的情況下，依靠IMU 慣性單元和地形模型，實(shí)施了盲降，接近月球表面時(shí)，著陸器認(rèn)為它相對于月球的高度比實(shí)際高度高出了大約100m，導(dǎo)致其以3 m/s 垂直速度、2 m/s 水平速度完成了著陸，6 條著陸腿中的1 條折斷，著陸器在2 s 后翻倒，著陸過程如圖9 所示。

圖9 奧德修斯號(hào)傾倒過程示意圖Fig.9 Diagram of the tipping process of Odysseus

2.3 通信與供電受限

奧德修斯號(hào)的側(cè)翻帶來了一連串的影響，首當(dāng)其沖的就是通信問題。如圖10 所示，由于著陸器的側(cè)翻，4 個(gè)天線中的2 個(gè)指向月面，造成與地球的通信受限，回傳數(shù)據(jù)誤碼率極高，且高增益天線無法使用，導(dǎo)致傳輸速率極低（約為1.25 Kbps），在著陸60 h 后才回傳第一張著陸照片，且傳回的圖像效果較差，如圖11 所示。

圖10 奧德修斯號(hào)著陸后照片F(xiàn)ig.10 Photo of the Odysseus after landing

圖11 奧德修斯號(hào)著陸后回傳的第一張照片F(xiàn)ig.11 The first photo transmitted back by Odysseus after landing

其次，奧德修斯號(hào)的頂部大型太陽翼由于著陸器的傾倒而無法對準(zhǔn)太陽，此時(shí)僅能使用側(cè)面單個(gè)太陽翼發(fā)電，僅有170 W 的發(fā)電能力，無法使用功耗為210 W 的高速Q(mào)uasonix 發(fā)射機(jī)發(fā)送高速數(shù)據(jù)。

2.4 部分載荷失效

月球表面羽流研究立體相機(jī)SCALPSS 無響應(yīng)，原因最大可能為著陸過程中受損。載荷Embryriddle Eaglecam 鷹相機(jī)雖被釋放，但一直未與著陸器建立通信。IM 公司認(rèn)為故障的最大可能為飛控上注軟件后重啟系統(tǒng)，初始化過程中EagleCam 相機(jī)參數(shù)被重置，導(dǎo)致未能完成對奧德修斯號(hào)下降過程的拍攝任務(wù)。

2.5 故障分析

綜上所述，在奧德修斯號(hào)的故障及處置過程中，人為低層次質(zhì)量問題較為突出。首先，因?yàn)榘l(fā)射時(shí)間和成本的考慮，放棄了對著陸至關(guān)重要的激光測距儀的測試，地面操作人員也未核對操作記錄，導(dǎo)致出現(xiàn)了未解鎖設(shè)備硬件保護(hù)裝置的低層次錯(cuò)誤，也險(xiǎn)些導(dǎo)致整個(gè)任務(wù)的失敗。星敏感器的故障原因目前暫未披露，但也可能是類似的錯(cuò)誤。其次，備份冗余手段匱乏。激光測距儀無法打開后，奧德修斯號(hào)只能得到15 km 高度處的測量數(shù)據(jù)，通過疊加IMU 數(shù)據(jù)進(jìn)行大致的高度估計(jì)，導(dǎo)致高程估計(jì)與實(shí)際相差100 m 以上。而在著陸完成后，由于高度不準(zhǔn)確，同時(shí)缺少觸月開關(guān)等其他判斷落月的輸入信息，發(fā)動(dòng)機(jī)仍在開機(jī)工作，未能及時(shí)關(guān)機(jī)，可能也是導(dǎo)致后續(xù)傾覆和著陸器受損的原因之一。這些關(guān)鍵飛行事件中的關(guān)鍵單機(jī)均無有效備份，輸入條件和判據(jù)單一，極易形成單點(diǎn)故障。

同時(shí)，也應(yīng)看到商業(yè)航天在靈活性和效率方面的優(yōu)勢。尤其是在處置激光測距儀中失效問題時(shí)，反應(yīng)快速且執(zhí)行效率高，快速組成3 個(gè)團(tuán)隊(duì)，并與NASA 充分交流，了解載荷工作原理，在1.5 h 內(nèi)完成了正常航天軟件開發(fā)需要1個(gè)月才能完成的工作，這在傳統(tǒng)航天領(lǐng)域是很難做到的。

3 對我國航天事業(yè)發(fā)展的啟示

當(dāng)前，商業(yè)航天蓬勃發(fā)展，包括奧德修斯號(hào)在內(nèi)的諸如以色列Space IL 公司的創(chuàng)世紀(jì)號(hào)著陸器、日本iSpace 公司的白兔-R 著陸器、美國Astrobotic Technology 的游隼號(hào)著陸器等均已對著陸月球進(jìn)行了嘗試，雖然只有奧德修斯號(hào)近乎成功地實(shí)現(xiàn)了月球軟著陸，但商業(yè)航天公司帶來的別樣思路和令人驚嘆的迭代與發(fā)展速度，給我國航天事業(yè)的發(fā)展帶來啟發(fā)。

3.1 將商業(yè)航天發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃納入國家航天戰(zhàn)略布局

美國商業(yè)登月公司的蓬勃發(fā)展主要得益于NASA CLPS 計(jì)劃。此計(jì)劃將在10 年內(nèi)與數(shù)家公司簽訂總價(jià)值最高為26 億美元的合同。目前已獲得NASA 合同的公司有14家，本次發(fā)射奧德修斯號(hào)的IM 公司在2019 年與NASA 簽訂了1.18 億美元的載荷運(yùn)輸合同。

為促進(jìn)我國商業(yè)航天事業(yè)發(fā)展，應(yīng)當(dāng)借鑒阿爾忒彌斯計(jì)劃，將商業(yè)航天發(fā)展納入國家航天戰(zhàn)略的頂層設(shè)計(jì)中，在國家航天發(fā)展戰(zhàn)略中明確商業(yè)航天發(fā)展方向，全面覆蓋長期規(guī)劃和階段規(guī)劃，并從政策、布局等多方面扶持引導(dǎo)商業(yè)航天發(fā)展，引導(dǎo)和鼓勵(lì)資本對商業(yè)航天的投資，并促進(jìn)在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和共用方面國家航天與商業(yè)航天的合作。

3.2 加快推進(jìn)商業(yè)航天領(lǐng)域法律法規(guī)體系建設(shè)

美國政府自1984 年以來，對商業(yè)航天的支持已經(jīng)上升到立法的高度，具有較強(qiáng)的約束力和指導(dǎo)作用。

當(dāng)前，我國航天強(qiáng)國建設(shè)深入推進(jìn)，航天強(qiáng)國建設(shè)目標(biāo)連續(xù)寫入黨的十九大、二十大報(bào)告。在航天活動(dòng)日益頻繁，參與主體和方式多元化發(fā)展的背景下，需要加快推進(jìn)航天法立法過程，加快航天領(lǐng)域重點(diǎn)法規(guī)及配套制度建設(shè)，從國家頂層設(shè)計(jì)的高度出發(fā)，用切實(shí)可行的法律法規(guī)指導(dǎo)和規(guī)范商業(yè)航天活動(dòng)，促進(jìn)商業(yè)航天公司的健康發(fā)展，提升我國航天產(chǎn)業(yè)整體競爭力。

3.3 增強(qiáng)傳統(tǒng)航天與商業(yè)航天的合作與優(yōu)勢互補(bǔ)

阿爾忒彌斯計(jì)劃和CLPS 計(jì)劃為商業(yè)航天公司提供了廣闊的市場和發(fā)展空間，而大量的商業(yè)航天公司又為NASA 的載荷運(yùn)輸、技術(shù)驗(yàn)證提供了廉價(jià)、快速、多樣的解決方案，二者相輔相成，實(shí)現(xiàn)良性發(fā)展。

商業(yè)航天公司既是機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)。需要充分利用商業(yè)航天公司的靈活性和低成本，利用傳統(tǒng)航天長期以來的技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施積累，配合國家政策和產(chǎn)業(yè)布局，快速進(jìn)行大量低成本發(fā)射，偏重技術(shù)驗(yàn)證與新技術(shù)應(yīng)用，進(jìn)行充分地試錯(cuò)與迭代，獲得大量的實(shí)測數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)，促進(jìn)技術(shù)的快速進(jìn)步。

3.4 借鑒商業(yè)航天經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步完善生產(chǎn)管理標(biāo)準(zhǔn)體系

在增強(qiáng)與商業(yè)航天合作的同時(shí)，也應(yīng)當(dāng)正確認(rèn)識(shí)并充分借鑒商業(yè)航天公司能夠快速迭代和發(fā)展背后的深層次原因。商業(yè)航天的優(yōu)勢不應(yīng)被簡單地完全歸結(jié)到不怕失敗上，絕不是無限度的自由和隨意。頂級(jí)商業(yè)航天公司，如SpaceX，每次星艦的改動(dòng)之大，改動(dòng)之快速，改動(dòng)之有效，令人贊嘆，但在看到技術(shù)上的大膽創(chuàng)新的同時(shí)，也應(yīng)當(dāng)明白，其背后一定有一套行之有效的生產(chǎn)與管理標(biāo)準(zhǔn)體系與方法論，能夠保證勇于試錯(cuò)，充分調(diào)動(dòng)創(chuàng)新的積極性，又能使創(chuàng)新和試錯(cuò)不至于成為脫韁之馬，保證創(chuàng)新行之有效，試錯(cuò)舉一反三。

在新技術(shù)應(yīng)用與成熟技術(shù)繼承之間，應(yīng)當(dāng)找到最適合于本任務(wù)實(shí)際情況和研制進(jìn)度要求的平衡點(diǎn)，既保證任務(wù)的順利完成，又避免技術(shù)和思路上的停滯不前頑固守舊。只有傳統(tǒng)航天與商業(yè)航天優(yōu)勢互補(bǔ)、各取所需，才能促進(jìn)整個(gè)航天體系的健康發(fā)展。

4 對我國未來月球探測開發(fā)的啟示

當(dāng)前，我國的探月工程已圓滿完成了“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略目標(biāo)，后續(xù)將繼續(xù)開展面向更大區(qū)域和更長時(shí)間的無人月面探測活動(dòng)，目前已全面部署開展嫦娥四期研制，包括嫦娥六號(hào)、嫦娥七號(hào)、嫦娥八號(hào)等任務(wù)[8]；載人月球探測工程登月階段任務(wù)已啟動(dòng)實(shí)施，計(jì)劃在2030 年前實(shí)現(xiàn)中國人首次登陸月球，目前已全面部署開展各項(xiàng)研制建設(shè)工作，包括研制新一代運(yùn)載火箭（長征十號(hào)）、新一代載人飛船、月面著陸器、登月服等飛行產(chǎn)品，新建發(fā)射場相關(guān)測試發(fā)射設(shè)施設(shè)備[9-13]。

定點(diǎn)安全軟著陸是開啟月面探測的第一步，縱覽2024 年1～2 月美國、日本先后發(fā)射的游隼號(hào)、SLIM、奧德修斯號(hào)等任務(wù)，各個(gè)航天器并未真正取得成功，綜合當(dāng)前世界各國在月球探測的工程目標(biāo)和任務(wù)實(shí)施情況，月球探測任務(wù)仍是技術(shù)難度高、成功率低的探測任務(wù)。

加強(qiáng)航天器可靠性、安全性設(shè)計(jì)，確保任務(wù)成功和工程目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，是月球探測開發(fā)的首要目標(biāo)。

4.1 任務(wù)約束和系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)

受限于地月空間幾何關(guān)系和運(yùn)載火箭單次運(yùn)輸能力，月球探測通常采用多個(gè)航天器聯(lián)合執(zhí)行的任務(wù)模式，如月背和南極任務(wù)需要月球中繼星與嫦娥航天器協(xié)同，載人登月任務(wù)需要載人飛船與月面著陸器協(xié)同等，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需遵循系統(tǒng)最優(yōu)理念開展頂層參數(shù)設(shè)計(jì)、任務(wù)分配和各個(gè)航天器的協(xié)同設(shè)計(jì)。

受限于地月空間380 000 km 遠(yuǎn)距離和任務(wù)復(fù)雜性，航天器的自主管理設(shè)計(jì)尤為重要。同時(shí)，應(yīng)關(guān)注地面測試對復(fù)雜飛行工況的覆蓋性、故障預(yù)案的在軌可實(shí)施性、以及地面不可測飛行工況的仿真分析。

4.2 系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)和故障容限設(shè)計(jì)

關(guān)注任務(wù)的系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)，識(shí)別內(nèi)外部存在的故障誘導(dǎo)因素，分析故障誘因出現(xiàn)后的關(guān)聯(lián)影響，通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)切斷故障在系統(tǒng)內(nèi)外的傳遞路徑，加強(qiáng)航天器的故障容限設(shè)計(jì)，秉承“一重故障可靠、二重故障安全”的設(shè)計(jì)理念，發(fā)生一個(gè)或兩個(gè)獨(dú)立故障時(shí)，不發(fā)生從屬故障（誘發(fā)次生故障），系統(tǒng)可正常連續(xù)運(yùn)行，發(fā)生一次重復(fù)故障時(shí)，系統(tǒng)仍可安全工作（允許采取降級(jí)安全模式），關(guān)鍵設(shè)備原則上應(yīng)具備“自身故障時(shí)可靠輸出，輸入臨界時(shí)安全工作”的設(shè)計(jì)裕度，關(guān)注一重故障時(shí)，能源、測控通信鏈路的安全保底設(shè)計(jì)，方可實(shí)現(xiàn)故障安全。關(guān)鍵單機(jī)及重要載荷中的關(guān)鍵軟件應(yīng)具備在軌維護(hù)能力，通過在軌注入重構(gòu)措施提高軟件的可維護(hù)性，同時(shí)關(guān)注軟件初態(tài)和可持續(xù)程序加載區(qū)的狀態(tài)保護(hù)，確保軟件重構(gòu)時(shí)的設(shè)備安全工作底線。

奧德修斯號(hào)使用NDL 雷達(dá)載荷進(jìn)行高度測量，通過軟件可維護(hù)和多源信息融合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵飛行階段傳感器可靠性與冗余設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高航天器系統(tǒng)最優(yōu)和可靠性。

對于無人航天器，可通過一體化硬件平臺(tái)或通用總線、網(wǎng)絡(luò)等接口，打通平臺(tái)和載荷的信息接口，有效應(yīng)用平臺(tái)和載荷的多信息融合技術(shù)，最大化利用各類載荷的敏感器測量信息，提升系統(tǒng)的靈活性和容錯(cuò)能力；對于載人航天器，應(yīng)避免載荷對平臺(tái)的安全性影響，對平臺(tái)關(guān)鍵設(shè)備采用冗余備份或異構(gòu)備份，加強(qiáng)平臺(tái)可靠性設(shè)計(jì)確保航天員安全。

4.3 商業(yè)合作和人類地外長期生存關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證

奧德修斯號(hào)的6 個(gè)NASA 載荷中，有5 個(gè)均與未來的阿爾特彌斯載人登月計(jì)劃密切相關(guān)，或作為技術(shù)與原理驗(yàn)證，或作為先期關(guān)鍵數(shù)據(jù)獲取，有的甚至直接作為阿爾特彌斯計(jì)劃的基礎(chǔ)設(shè)施。

對于我國的未來的月球探測開發(fā)，應(yīng)充分借鑒利用低成本商業(yè)飛行任務(wù)，支撐月面大規(guī)模建設(shè)主線活動(dòng)，是建設(shè)月球科研試驗(yàn)站的有益補(bǔ)充。充分利用商業(yè)合作和先進(jìn)民用技術(shù)、無人飛行試驗(yàn)先行驗(yàn)證載人飛行和月球科研試驗(yàn)站建造，逐步突破人類地外長期生存的關(guān)鍵技術(shù)。

5 結(jié)束語

本次IM 公司奧德修斯號(hào)月面著陸器的任務(wù)實(shí)施，引起了世界各國的高度關(guān)注，一方面展示了商業(yè)航天在月球探測開發(fā)的蓬勃發(fā)展和商業(yè)模式，一方面也凸顯了月球探測任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)施的高技術(shù)難度、高風(fēng)險(xiǎn)和低成功率。結(jié)合我國未來月球探測開發(fā)任務(wù)，提出3 方面建議：

1)融合商業(yè)航天取長補(bǔ)短，加速新技術(shù)發(fā)展

無人月球探測可充分利用商業(yè)航天的低成本、快速迭代、大膽試錯(cuò)創(chuàng)新等優(yōu)勢，積極加強(qiáng)合作，吸納商業(yè)航天資本，利用商業(yè)航天完成短平快的技術(shù)積累與驗(yàn)證，并以低成本方式完成大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。同時(shí)，也應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到商業(yè)航天的發(fā)展現(xiàn)狀，避免盲從，在載人月球探測任務(wù)中堅(jiān)持質(zhì)量第一理念，在載人航天器研制中以人的安全為本。

2)秉承嚴(yán)慎細(xì)實(shí)，確保系統(tǒng)可靠性

當(dāng)前世界各國的月球探測開發(fā)仍然是高技術(shù)難度、高風(fēng)險(xiǎn)和低成功率的階段，秉承嚴(yán)慎細(xì)實(shí)、確保系統(tǒng)高可靠設(shè)計(jì)并圓滿完成既定任務(wù)，才能獲得高效率、高效益的回報(bào)。

在航天器設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)充分識(shí)別全任務(wù)階段可能的故障工況，關(guān)注可靠性與冗余設(shè)計(jì)、故障容限設(shè)計(jì)、自主智能管理、技術(shù)狀態(tài)控制、地面測試覆蓋等，確保航天器設(shè)計(jì)可靠性和安全性能夠應(yīng)對多種復(fù)雜工況，確保每次工程任務(wù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

3)提前啟動(dòng)，早日突破地外生存關(guān)鍵技術(shù)

月球探測開發(fā)仍存在諸多為突破的關(guān)鍵技術(shù)，提前啟動(dòng)，合理統(tǒng)籌遠(yuǎn)期規(guī)劃，在地外天體著陸發(fā)射、能源、信息、極端環(huán)境生存與輻射防護(hù)、大型基地基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、原位利用等方面需盡快開展方案論證和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，利用無人飛行任務(wù)開展驗(yàn)證，早日實(shí)現(xiàn)人類的長期地外生存遠(yuǎn)景目標(biāo)。