在匹兹堡莫农加希拉河畔一片泥泞、布满碎石的场地中，一个五英尺高的金字塔形机器人，长着双摄像头“眼睛”，在四个金属轮子上缓慢旋转，其电动机发出低沉的嗡嗡声。在附近的一辆拖车里，卡内基梅隆大学的学生们挤在一台笔记本电脑旁，通过机器人的眼睛观看世界。在笔记本电脑屏幕上的低分辨率灰度图像中，崎岖不平的地形看起来很像月球，而这正是机器人的最终目的地。
卡内基梅隆大学机器人技术教授威廉·“雷德”·惠特克和他的学生们制造了“红色漫游者”，目的是赢得谷歌月球 X 大奖赛，这是一项旨在提升私营公司在太空领域的作用并激发太空飞行技术创新的竞赛。一等奖奖金为 2000 万美元，将颁发给第一个在 2015 年底之前成功将机器人送上月球、使机器人行驶约半英里并向地球发回高清视频的非政府团队。二等奖奖金为 500 万美元，加上其他成就（例如到达阿波罗登月点）的奖金，奖金总额达到 3000 万美元。尽管有 26 支队伍参赛，但惠特克的团队显然处于领先地位。他的公司 Astrobotic Technology 是第一个为将航天器和探测器送上月球的火箭支付首付款的团队。惠特克还证明了自己是一位自主车辆的杰出建造者，这些车辆能够在极端环境中导航。
谷歌月球 X 大奖赛正值美国太空计划的一个重大转折点。2010 年，根据美国载人航天飞行计划审查委员会的建议，巴拉克·奥巴马总统指示 NASA 鼓励私营拥有和运营的宇宙飞船取代即将退役的航天飞机。理由是，在 NASA 的投入和种子资金的支持下，私营公司可以比通常的大型承包商更快、更经济地设计和建造政府机构所需的飞行器。本着同样的精神，谷歌月球 X 大奖赛旨在培养一类新的私营行星任务，这种任务不依赖于昂贵的一次性航天器和可能无法持续超过一届政府的政治承诺。相反，研究人员将付费给私营公司来发射他们的探测器和仪器。NASA 也增加了自己的激励措施——额外拨出 3010 万美元，分配给六个团队，以表彰他们克服了许多政府探测器都难以解决的技术难题，例如在月球之夜生存。谷歌月球 X 大奖赛之后，私营航天公司未来的命运远未确定，并非所有人都相信其服务存在市场，但许多研究人员对商业资助的太空科学前景感到兴奋。
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测试发射
该竞赛有一个先例，即 1000 万美元的安萨里 X 大奖赛，该奖项于 2004 年结束，当时 SpaceShipOne 成为第一个离开大气层的私营制造载人飞行器。SpaceShipOne 是一架由位于加利福尼亚州莫哈韦的 Scaled Composites 公司建造的火箭飞机，资金来自微软亿万富翁保罗·艾伦。维珍银河公司目前正在资助 SpaceShipTwo。该公司已收到个人超过 6000 万美元的押金，他们愿意每人支付 20 万美元，以获得在微重力下漂浮并从远处观看地球的机会。NASA 已与维珍公司和其他六家私营公司签订合同，让其在 SpaceShipTwo 和其他航天器上搭载科学设备，以进行有关在无重力状态下转移燃料等挑战的实验。现在，谷歌月球 X 大奖赛的组织者希望为机器人行星任务复制这一成功。
很少有人像雷德·惠特克那样有资格将机器人送上月球。这位 63 岁的老人可能比任何其他个人在开发现场机器人技术学科方面做得更多——将机器人从汽车工厂等受控环境中解放出来，并将其释放到野外从事有用的工作。在 20 世纪 80 年代，他设计和建造了机器人，用于探索部分熔毁的三里岛核电站受损且具有危险放射性的区域。作为卡内基梅隆大学现场机器人中心的创始人和负责人，惠特克此后一直以在自主车辆领域开创新局面为职业。他创造了在南极冰原上搜寻陨石的机器人，以及爬入阿拉斯加和南极洲活火山陨石坑的机器人。
惠特克于 2007 年开始为谷歌月球 X 大奖赛做计划，当时他正处于另一场竞赛之中：美国国防高级研究计划局 (DARPA) 的城市挑战赛，该赛事在加利福尼亚州维克多维尔的前乔治空军基地举行。惠特克和他的学生以“Tartan Racing”团队的名义，与通用汽车、大陆集团和其他赞助商合作，制造了一辆名为“Boss”的无人驾驶雪佛兰 Tahoe。就在他赢得世界首个无人驾驶汽车城市街道竞赛的第一名时，惠特克立即着手最终确定卡内基梅隆大学一门名为“高级移动机器人开发”的课程计划。课程目录中描述的这门课程的适度目标是“详细描述、分析和模拟月球机器人着陆器，现场测试月球探测器原型，应对企业挑战，并通过写作、摄影和视频沟通任务进展情况”。该课程向卡内基梅隆大学任何领域、任何级别的学生开放。大约在同一时间，惠特克成立了营利性公司 Astrobotic Technology，并由长期从事太空事业的企业家大卫·冈普担任负责人。冈普积极寻求企业赞助和潜在客户，而惠特克则贡献了他在现场机器人中心 29 年多的研究中积累的深厚知识。Astrobotic 的赞助商包括总部位于匹兹堡的美国铝业公司，该公司捐赠了将探测器送上月球的航天器所需的铝。
惠特克是一位前海军陆战队员，也是一位化学家和一位炸药推销员的儿子。他说，将他的团队创造的成果之一送上月球，将代表着他职业生涯的实现，他的机器人曾涉足陆地、水域、水下、地下以及地球上几乎所有极端环境。在他看来，赢得月球不仅仅意味着获得一等奖；Astrobotic 只有在实现所有额外目标后才能算作成功。“如果你没有完成所有事情，”他说，“你就什么都没做。”
火箭科学
惠特克将 Astrobotic 的航天器和探测器送上月球的愿景始于 SpaceX 的猎鹰 9 号火箭。SpaceX 的成立目标是大幅降低太空进入成本，它可能是谷歌月球 X 大奖赛竞赛的关键推动者。惠特克认为，SpaceX 火箭将成为所有参赛队伍的首选运载工具。“据我所知，每个美国竞争者都将目标锁定在 SpaceX 上，”他说。即便如此，发射成本仍将是任何团队的最大单项支出。虽然猎鹰 9 号的成本低于同类其他火箭，但其公布的发射价格仍为 5400 万美元——是最高奖金的两倍多。SpaceX 的竞争对手不愿讨论他们自己的发射安排，但很明显，SpaceX 已经凭借历史上最大的商业发射合同——与卫星通信公司 Iridium 达成的 4.92 亿美元的交易，颠覆了市场。
在红色漫游者搭载猎鹰 9 号离开地球大气层后，Astrobotic 航天器和探测器堆叠体将抛弃其保护性整流罩，火箭的二级发动机将推动航天器和探测器驶向月球。 transit 将耗时五天。卡内基梅隆大学开发的制导、导航和控制软件将使火箭保持在正确的轨道上。该软件是使 Tartan Racing 赢得城市挑战赛的代码的直接后代。自主驾驶和航天器驾驶的计算挑战并没有太大区别——相同的数学方法可以解决这两个问题，这就是为什么软件如此相似的原因。Astrobotic 团队成员兼博士候选人凯文·彼得森说，主要区别在于缺乏 GPS 来引导车辆。相反，航天器将通过参考恒星、月球和地球来绘制其飞往月球的轨迹。
一旦进入轨道，航天器和探测器必须下降到月球表面。1969 年，宇航员尼尔·阿姆斯特朗驾驶登月舱从轨道降落到月球上的特定位置，同时避开当地的危险，例如巨石和陨石坑。但是，地球与其卫星之间 25 万英里的距离造成了时间延迟，这排除了地球上的飞行员进行实时控制的可能性，因此航天器的软件必须自主完成阿姆斯特朗手动完成的工作。主下降发动机将燃烧以减慢航天器接近月球的速度，而小型推进器将保持车辆稳定。着陆器将在月球黎明后两天着陆，并将展开两条坡道（第二条是备用的，以防岩石或陨石坑阻碍第一条）。将坡道折叠靠在梯子上的螺栓被设置为在强热下断裂。在坡道从航天器落到地面后，探测器将沿着其中一条坡道滚动到月球表面，双目摄像头扫描前方的地面。月球尘埃太滑，无法根据探测器车轮转动的次数准确读取行驶距离。相反，探测器的车载计算机将通过比较机器人移动时表面特征的变化外观来计算距离。防辐射组件将保护计算机免受无过滤的太阳和宇宙辐射的轰击，而月球没有空气，会受到这些辐射的轰击。
在匹兹堡，Astrobotic 团队的任务控制中心成员将在漫长的月球日轮班工作 24 小时，使用源源不断的低分辨率图像引导红色漫游者前往有趣的特征（包括，希望包括阿波罗登月点）。探测器将自主避开月球表面的危险。它将以加密数据块的形式传输高清视频，至少在着陆后立即传输一个，并在任务后期传输一个，以满足 X 大奖赛的要求。探测器还将发送电子邮件、推文和 Facebook 帖子。
该团队面临的主要技术挑战是确保红色漫游者能够度过月球昼夜的极端环境，每个昼夜持续两个地球周。在为期两周的月球之夜，团队计划着陆的月球表面温度从白天高于华氏 248 度的高温骤降至约华氏零下 274 度。任何含有微量水分的组件（例如电池）都会因水分冻结和膨胀而遭受不可修复的损坏。唯一成功度过昼夜极端环境的探测器是 20 世纪 70 年代的苏联遥控月球探测器 Lunokhods。它们依靠放射性钋同位素来保暖。但是，Astrobotic 和其他竞争 X 大奖赛的私营公司无法获得这些受到严格控制的材料。为了保护红色漫游者免受太阳的热量影响，电池单元周围的碳纤维结构将热量传导至探测器的外表面。在夜间，红色漫游者将进入休眠状态，并在阳光照射下醒来，启动由当时的卡内基梅隆大学机械工程本科生查尔斯·穆尼奥斯严格测试过的非水锂铁磷酸盐电池。
这就是 X 大奖赛旨在激发的那种廉价创新。尽管 Astrobotic 很有可能赢得谷歌月球 X 大奖赛，但它面临着来自印度和俄罗斯的激烈竞争，两国正在联合赞助一个月球探测器，而中国正在建造自己的探测器，该探测器将使用放射性同位素来保持月球之夜的动力。如果其中一个先到达月球，则最高奖金将降至 1500 万美元。
竞争
惠特克的团队也预计会受到其他 X 大奖赛参与者的强烈竞争。总部位于加利福尼亚州山景城的 Moon Express，由亿万富翁联合创始人纳文·贾恩和其他富有的个人投资者支持，可能是谷歌月球 X 大奖赛团队中资金最充足的。该公司仅在 2010 年才加入竞争，即在比赛宣布三年后，因此它落后于 Astrobotic。但它正在利用 NASA 开发的现有航天器平台来克服其后来者的劣势。另一位竞争者是总部位于科罗拉多州博尔德市的 Next Giant Leap，负责人是前美国空军飞行员出身的企业家迈克尔·乔伊斯。乔伊斯的公司已与 Draper Laboratory（该公司设计了引导阿波罗号航天器飞往月球的制导、导航和控制系统）、麻省理工学院的一个小组以及 Sierra Nevada Corporation 的航天系统部门合作。它正在建造一种新型“跳跃”航天器，这种航天器无需单独的探测器。该航天器重新点燃用于着陆的推进器，再次起飞并短距离移动到感兴趣的区域。这个想法似乎可行，但前提是乔伊斯能够筹集到必要的资金。
谷歌月球 X 大奖赛的组织者希望，如果他们建造了它，市场就会随之而来——开发探测器并将它们送上月球将刺激新市场的增长。例如，Astrobotic 正在以每公斤（2.2 磅）180 万美元和 200 万美元的价格提供其航天器和探测器上的空间，外加 25 万美元的“集成费”。至少对于马里兰大学物理学家道格拉斯·柯里等研究人员来说，商业任务上固定价格的保证位置将是一个福音。柯里和他的同事们希望在月球上放置一系列激光测距反射器，以支持比阿波罗宇航员留下的反射器精确 100 倍的测量——前提是能够找到可以搭载它们的任务。
X 大奖赛最持久的益处也许是激励下一代科学家和工程师。这场竞赛为惠特克的高级移动机器人开发课程增添了真实的刺激感。在 2011 年 4 月的最后一周课程中，Astrobotic 结构团队的成员在卡内基梅隆大学行星机器人实验室 3000 平方英尺的车间里匆忙走动，该车间完全致力于月球探测器项目。他们正在测试用于破碎金属螺栓的设计，这是一种替代典型爆炸螺栓的方案，它可以将坡道从航天器上脱开，以便探测器可以探索月球表面。研究生坎奇·纳亚卡和一群本科生准备了一台三脚架上的高速摄像机来记录模拟过程。然后，学生们拨动开关，17.9 秒后，螺栓砰的一声断裂，坡道打开并落到地面，准备迎接探测器的出现。
“太棒了！”纳亚卡说。她从摄像机后退一步，对着一位访客露出了笑容。“你一定是幸运星！”
本文以“奔向月球”为标题发表在印刷版上。