四年前大洋彼岸正式发起旨在实现载人重返月球的空间探索计划，该计划此后被正式定名为“阿尔忒弥斯计划”，计划原先设定的目标是2028年载人重返月球，后来这一时间节点被提前至2024年，然而由于计划实施过程中接二连三地遭遇各种状况，时间节点一再失守，先是从2024年变更至2025年，目前关于载人重返月球时间的最新表述是“最早2026年”，言外之意就是大概率还要推迟。
登月器与登月宇航服研制进度缓慢导致NASA重返月球时间不得不推后
NASA负责人纳尔逊在今年上半年的一场听证会上曾这样说道，CASC正愈发能比原先预料的早很多地送宇航员登月。
CASC是载人航天及探月任务的抓总单位
由此可见嫦娥探月工程的实施对其产生的刺激作用，纳尔逊之所以这么说是因为CASC进步太快。
我们在十三年时间里连续实施了嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号、嫦娥5T1、鹊桥号中继星、嫦娥四号、嫦娥五号共计7次发射任务，掌握了包括地月转移、绕月飞行、月面软着陆、月面起飞、环月轨道无人对接、月地高速再入返回等一系列探月核心工程技术能力。
嫦娥五号：月面起飞、环月对接、样品转移、月地返回
尤以嫦娥五号月面采样返回任务最为世界瞩目，该任务综合技术能力达到了世界领先水平，圆满实现了嫦娥探月绕落回三步走战略目标。目前嫦娥探月四期工程已经批准立项，嫦娥六号、嫦娥七号、嫦娥八号正瞄准新的目标加速推进。
反观NASA，距离上一次登月行动已经过去了将近半个世纪，这意味着登月相关的供应链、人才建设早已断档，想要恢复登月能力就必须构建全新的体系能力。
自阿波罗17号任务之后大洋彼岸登月活动中断至今
为了支撑载人重返月球任务，NASA三年前发起了“商业月球有效载荷服务计划（英文简称CLPS）”，该计划旨在以固定合同价格向商业航天公司购买无人登月服务。目前已经有14家公司获得竞标资格，至2028年合同预估总价值达28亿美元。
有人看到“商业”一词可能立马就要两眼放光了，然后感叹“人家私人公司都可以登月了”，而实际上“商业月球有效载荷服务计划”推出的根本原因在于昔日那些“军工复合体”的欲壑难填，以至于NASA虽然有着傲视群雄的庞大预算也难以满足它们的胃口，简而言之就是效费比太低，到了不得不改弦更张的地步。
商业月球有效载荷服务计划推出后截至本月先后确定了7次无人登月任务，发射计划排到了2024年。
计划明年上半年登陆月球正面北半球的直觉机器公司“新星-C着陆器”
NASA大干快上让一众没有登月经验的商业航天公司挑大梁心里也是没底的，比如原先至少有2至3家公司计划今年实施登月行动，然而临近岁末却没有任何一家公司兑现诺言，它们中的大多数都将发射时间推后至少一年，其中还有一家公司由于遭遇难以克服的内部挑战最终不得不放弃订单。
NASA一位主管泽布琛说，接受部分任务会以失败告终，这种风险会带来以低成本把有效载荷送往月球的新机遇。
计划明年年底搭乘“新星-C着陆器”登月的月球车
从服务载人重返月球以及无人属性来看，“商业月球有效载荷服务计划”更像“NASA版的嫦娥探月工程”，都是为了获得登月工程能力以及相关的科研探测数据。虽然向商业航天公司释出了一大批合同订单，然而NASA自己还是主导了其中的一个“旗舰级”项目，就是计划在2023年11月发射的“毒蛇号月球车”。
NASA毒蛇号月球车
当前各国都在聚焦月球南极探测，核心驱动原因是那里有水冰，有水就可以极大程度上解决航天员长期驻留补给问题，同时水还可以用于制作氢氧发动机的推进剂，从而建立迈向更遥远深空的一座“补给中转站”。
受太阳入射角以及月面地形影响，月球低纬度地区部分撞击坑内部存在太阳光无法照射的区域，因而形成了永久阴影区。据统计月球上目前已知有324个永久阴影区，总面积约3.1万平方公里（大致相当于一个海南岛大小），其中一半以上的永久阴影区位于月球南半球。
月球北极地区一个撞击坑中的永久阴影区
人类此前部署的多颗环月轨道卫星探测数据表明永久阴影区中含水，十二年前NASA曾组织实施对月球南极凯布斯坑的撞击探测，半人马座末级火箭与LCROSS探测器连续对此区域进行撞击探测，LRO月球勘测轨道卫星收集到了相关撞击数据，并形成了月球有水的证据。
除了水源，月球极区还存在利好太阳能发电的因素。受月球自转速度影响，其非极地地区每个月都会迎来长达十几天的月夜，探测器身处月夜环境中无法接受太阳光照，就无法形成持续的发供电能力，比如嫦娥三号与嫦娥四号在月夜极低温环境中必须进入休眠状态，同时还需要同位素温差热源提升温度保持状态。
玉兔二号月球车
而月球南北两极与地球南北两极一样都有极昼极夜，这意味着探测器的太阳能电池可以获取持续时间更久的连续发电能力，进一步利好极区探测。
关于月球永久阴影区是否含水这个问题，目前都是间接证据，计划2023年登陆月球南极的毒蛇号月球车，其核心任务就是进行原位探测获取月球是否有水的直接证据，并结合遥感探测数据绘制全月球资源地图。
月球南极地区水冰分布
让月球车深入大型撞击坑内部的大面积永久阴影区，对于目前人类的科技水平而言是困难的，因此毒蛇号选定的登陆地点位于月球正面南极诺毕尔环形山（撞击坑）以西地区，这里分布着一些尺寸较小的撞击坑，月球车可以凭借在光照区储存的电力进入其中进行短暂的探测。
毒蛇号计划登陆的月球南极区域（LRO卫星成像）
话说作为NASA无人探月的旗舰级月球车任务为什么要命名为“毒蛇号”呢？
该探测项目中文全称是“挥发物调查极地探险漫游者”，英文全称是“Volatiles Investigating Polar Exploration Rover”，其首字母缩写简称恰好组成了毒蛇单词“viper”，也许这是吃了没文化的亏……
毒蛇号月球车模型（用于装配演练）
毒蛇号月球车由NASA艾姆斯研究中心负责抓总研制，在商业月球有效载荷服务计划框架下“宇宙机器人技术公司”于去年获得了毒蛇号月球车的月面软着陆订单，订单价格2.265亿美元，这笔费用包括从地球出发的火箭发射费与月面软着陆费用。
宇宙机器人技术公司需要为此研发月面着陆器，同时向SpaceX公司订购了重型猎鹰火箭的发射服务。目前尚不清楚为什么要使用重型猎鹰火箭发射重量最多4至5吨的月球探测器，也许是为了回收火箭起飞级降低发射价格，也许这是一个“拼单”业务。
重型猎鹰火箭
月面无人自动软着陆任务不仅对宇宙机器人技术公司是一项全新的挑战，对于大洋彼岸整个航天体系而言也是新的挑战。
NASA半个世纪前主导实施的阿波罗载人登月任务是在有人条件下的登月行动，登月航线最后确定安全着陆点是宇航员进行干预，即便此前它们也曾实施过多次无人登月任务，但那一时期的避障手段极为有限，只能瞄准开阔且平坦的区域进行盲降，可靠性也更低，因此势必要研究新的登月技术方案。
NASA无人登月器，勘测者一号拍摄图像。（紧随其后的勘测者二号着陆失败）
托举毒蛇号登陆月球的着陆器是宇宙机器人技术公司正在研发的“鹰狮号”，该着陆器高2米、宽4.5米，规模比嫦娥四号着陆器略大。
宇宙机器人技术公司鹰狮号着陆器模型组件
鹰狮号着陆器与毒蛇号月球车组合体（效果图）
配置5台3100N反推发动机，以及12台姿控发动机。着陆器上方配置有双向展开的坡道。低纬度地区太阳入射角小，为了接收到更多光能，太阳能电池贴附在着陆器侧壁上。鹰狮号着陆器横截面呈八边形，这样设计的好处是可以适应光源位置的变化，确保太阳能电池的发电能力。
宇宙机器人技术公司采购敏捷空间工业公司的3100N发动机作为鹰狮号着陆器的下降反推动力
鹰狮号着陆器虽然不能从NASA昔日登月技术的故纸堆里找到合适的方案，但进入新世纪后的火星与月球登陆任务却可以带来新的灵感。
首先它延续了毅力号火星探测器的“地形相对导航”方案，其原理是事先将环月轨道卫星拍摄的着陆区高分辨率图像资料注入着陆器计算机，并设置好地形导航点位，而后着陆器登月时使用光学成像设备对着陆区连续成像，再将成像信息与事先注入计算机的图像进行比对，进而修正航线。
毅力号任务地形相对导航演示（图中左侧虚线是选取的导航特征点）
地形相对导航技术的优势是着陆位置偏差小精度高，然而这项在火星登陆任务中大放异彩的导航控制技术放在月球也是有些水土不服的。
因为火星车登陆时可以选择相对开阔平坦的着陆区，在月球上却不行，尤其是月球极区的复杂地形更不行。
地形相对导航十分依赖环月轨道卫星拍摄的高分辨率图像，LRO月球勘测轨道飞行器是当前部署月球成像分辨率最高的环月轨道卫星，它可以提供0.5米分辨率的全色图像，如果适当降低成像高度，分辨率还可以进一步提升至0.27米。
环月卫星成像并不能完全识别月面障碍
然而即便有如此之高的成像分辨率也仍然不能保证登月行动的万无一失，因为图像数据存在误差，月面的复杂地形将进一步放大误差带来的着陆安全隐患。
怎么办呢？
嫦娥探月工程已经做出了表率，该工程框架下的嫦娥三号、嫦娥四号、嫦娥五号三次登月任务接连成功，成功率100%，其中尤以嫦娥四号的月球背面着陆任务最具代表性。
嫦娥四号
嫦娥四号着陆位置位于月球背面“南极-艾特肯盆地”的“冯卡门撞击坑”，这里是月球撞击坑分布最密集的区域，完成此项登陆任务将意味着获得全月面到达能力。
摆在嫦娥四号着陆器面前的不再是类似嫦娥三号着陆区那样的平坦地形，而是平均高度达4000米的高大山系，如果算上冯卡门撞击坑的深度，垂直落差近万米，超越了珠穆朗玛峰的8848.86米。
嫦娥四号着陆区近万米地形落差
因此嫦娥四号不能像嫦娥三号那样平缓落月，而是要采取定点跳伞的方式在6000米高空基本消除水平速度开始垂直降落。
嫦娥四号转垂直下降姿态
最终降落月面后通过着陆器监视相机成像画面可以看到，距离着陆点仅十几米的距离就有一个直径29米的撞击坑，这个撞击坑正对月球车驶离坡道，其他方向也有多个撞击坑，以致于进行两器互拍任务时玉兔二号月球车不能抵达设计的拍摄地点，而在其互拍图像中又看到着陆器降落在了一个撞击坑边缘的斜坡上，由此可见月球背面地形的复杂程度。
玉兔二号的身后就是一个宽约29米的撞击坑
嫦娥四号着陆器降落在一个斜坡上
嫦娥四号之所以能够拿下月球背面复杂地形登陆任务，主要得益于基于机器视觉理念的一系列首创自动登月技术。微波测距/测速敏感器、激光测距敏感器、降落相机、激光三维成像敏感器在内的一系列敏感器是着陆器的眼睛，7500N变推力发动机与一系列姿控动力则是执行机构，眼睛获取的信息通过计算机生成指令控制发动机进行降落与避障，同时又创新了粗避障与精避障相结合的接力避障方案。
嫦娥四号动力下降轨迹示意图
首先是在约一千米高度进行粗避障，避开目标较大的障碍物，尔后抵达100米高度后在7500N变推力发动机与姿控动力作用下实现悬停，此时一个关键的装置“激光三维成像敏感器”开始发挥作用，它将发射激光波束获取着陆区斜距数据绘制三维立体图像，并基于“安全半径螺旋搜索法”选取“安全着陆点”，看似繁琐的过程实际上只需要1至2秒，然后着陆器开始向安全着陆点机动并缓速下降，最终实现月面软着陆。
嫦娥四号配置的“激光三维成像敏感器”
激光三维成像敏感器获取着陆区斜距，并与激光测距敏感器协同工作。
安全半径螺旋搜索法
图像中心是设计的标称着陆点，有密集分布的撞击坑。图像左侧十字则是着陆器自主选择的安全着陆点。
NASA也曾计划在火星登陆任务中使用可获取三维图像的激光雷达（与激光三维成像敏感器属同一类型设备），但不论是好奇号亦或者毅力号都没能在降落任务中实现工程应用。
鉴于激光雷达在嫦娥探月任务中的出色表现，宇宙机器人技术公司的鹰狮号着陆器也希望加装激光雷达，但最终能否装配此设备仍然是未知数。
由于月球极区复杂地形的登陆难度高，NASA与宇宙机器人公司并不打算一开始就挑战月球南极登陆任务，除承运毒蛇号月球车外，在商业月球有效载荷服务计划框架下宇宙机器人技术公司的游隼号着陆器将先期于明年第一季度搭乘火神运载火箭进入地月转移轨道，并着陆于月球正面比格撞击坑西南区域，这是一片较为开阔平坦的高原。
游隼号小型着陆器
明年上半年游隼号若如期登月，这将是时隔近半世纪后大洋彼岸再次具备月面软着陆能力的一个标志性事件，此任务也可看作是针对毒蛇号月球车着陆任务的一次预演。
话说毒蛇号月球车届时历经艰辛来到月球南极后将如何展开寻找水源的工作呢？
毒蛇号月球车长宽都是1.5米，桅杆顶部高度是2.5米，发射质量达到了450公斤，整体规模是玉兔二号月球车的三倍有余，采用主动悬架四轮驱动设计。
毒蛇号行走机构爬坡测试
在此之前人类地外天体星球车诸如旅居者号、勇气号、机遇号、好奇号、玉兔号、玉兔二号、毅力号都是被动悬架，只有我们的祝融号采用的是主动悬架。
祝融号是当今人类部署地外天体的唯一一辆配置主动悬架的星球车
主动悬架的优势是可以抬升车体通过复杂地形，同时还可以抬升车轮进行尺蠖运动，有利于在遭遇危险时及时脱困，这对于在复杂月面有快速行驶需求的毒蛇号而言是十分必要的。
毒蛇号行走机构外场测试悬架抬升，它将具备类似祝融号的机动能力。
毒蛇号行驶速度可以达到0.72公里/小时，也比玉兔二号更快。之所以追求更快的行驶速度是因为前者的寿命限制，毒蛇号没有配备类似玉兔二号的同位素温差热源，使得它难以抵御月夜环境下的极低温。
按照设计毒蛇号月球车只能在无光照环境中停留不超过50小时，这一设计也是为了进入永久阴影区，并不是为了月夜生存。
月球南极区域虽然有长期连续光照优势，但这不代表没有月夜，一旦度过长期连续光照的月昼，月球南极地区的月夜时间将比其他区域时间更长，因此其设计寿命被限定在100天。毒蛇号月球车必须在有限的时间内进行探测，不必期待它可以像玉兔二号那样可以超期服役，因为一旦进入长周期的月夜就意味着任务的终结。
玉兔二号月球车车体后部挂载的便是同位素热源
毒蛇号为了寻找水源配置了三台科学载荷与一台类似嫦娥五号钻取月壤用的旋转冲击钻，当它驶抵设计的探测点后，首先使用“中子光谱仪”探测所在区域月面下约0.9米深度月壤的氢原子，探测到合适浓度的氢原子后启动“旋转冲击钻”钻取月壤，预计钻取设备将对地表区域、浅层区域、深层区域、干燥区域进行钻取，设计钻进深度也与嫦娥五号钻取设备一样，都是1米。
中子光谱仪组件在振动台上进行测试
类似嫦娥五号钻取月壤用的旋转冲击钻
钻取月壤后毒蛇号再使用“近红外挥发物光谱仪”分析月壤中氢原子的性质，并检测月壤中可能存在的二氧化碳、氨和甲烷，与此同时“质谱仪”也将与“近红外挥发物光谱仪”协同工作，前者主要用于区分哪些气体来自月球，哪些气体是由着陆行动造成的影响。毒蛇号的任务很明确，它其实就是一辆“月球找水车”。
近红外挥发物光谱仪
质谱仪安装散热器
由于太阳入射角很小，而毒蛇号又要进入小型撞击坑的永久阴影区探测，所以必须配备照明设备，因此它也将是人类第一辆配备车灯的地外天体漫游车。
毒蛇号月球车配备有车灯
毒蛇号月球车桅杆上有两个LED泛光灯，它可以像家用轿车那样打出近光灯与远光灯，同时车身底部也分布有6盏灯，以照亮车体周围区域。
月球车的行驶与科学探测离不开电能供给，毒蛇号与着陆器一样都将太阳能电池配置在侧壁，以适应月球极区的太阳入射角，其发电峰值功率可达450瓦。
那么，上述行动都是毒蛇号自主实施的吗？并不是。
由于月球距离地球并不像火星那么遥远，通信延时只有几秒钟，所以选择的是类似玉兔二号由地面团队操控的模式，他们将安排三个操控团队执行24小时三班倒全天运行机制，以期在有限的寿命内完成既定工作。
毒蛇号月球车对地球通信天线
毒蛇号月球车采用X波段天线直接对地通信，由于月球自转轴的摆动加上没有中继卫星的问题，它还将面临为期1个月的通信中断周期，在此期间需要找好驻留位置避免周遭进入无光照环境从而影响月球车的寿命。
因月球运动和自转轴指向造成的天平动将导致毒蛇号月球车对地球通信中断
通过梳理毒蛇号月球车项目笔者想到了航空领域歼20总师杨伟曾经说过的一席话，他说：对于更远未来的航空装备发展，有人希望什么都比现在好，飞的要比现在快、要比现在远、比现在高，什么酷炫“超能力”都有。怎么可能有这样的产品？任何一个产品都有取舍，没有取舍的产品不是一个好产品。
毒蛇号月球车虽然是航天装备，但在理念上都是相通的，它在探测任务需求与工程总体之间的取舍就恰好印证了杨伟总师的论断，即便强如NASA也需要取舍。
距离毒蛇号月球车正式起航飞往月球还有整整两年时间，我们祝愿它最终能够如愿抵达月球。
嫦娥七号探测器
就在毒蛇号月球车奔向月球的那一时期，旨在实施月球极区环境与资源勘查任务的嫦娥七号也将踏上奔月征程，这将是一个集环月轨道器、着陆器、月球车、飞跃式探测器、中继星多器于一身，可长期服役8至10年的大型成体系的无人综合月球极区探测器，其性能之强悍将刷新人类探月的新高度，它的登陆地点将比毒蛇号月球车更靠近月球南极极点，巅峰高地的下一篇长文分析就将聚焦嫦娥七号。