在匹茲堡莫農加希拉河畔一片泥濘、佈滿碎石的場地中，一個五英尺高的金字塔形機器人，長著雙攝像頭“眼睛”，在四個金屬輪子上緩慢旋轉，其電動機發出低沉的嗡嗡聲。在附近的一輛拖車裡，卡內基梅隆大學的學生們擠在一臺筆記型電腦旁，透過機器人的眼睛觀看世界。在筆記型電腦螢幕上的低解析度灰度影像中，崎嶇不平的地形看起來很像月球，而這正是機器人的最終目的地。
卡內基梅隆大學機器人技術教授威廉·“雷德”·惠特克和他的學生們製造了“紅色漫遊者”，目的是贏得谷歌月球 X 大獎賽，這是一項旨在提升私營公司在太空領域的作用並激發太空飛行技術創新的競賽。一等獎獎金為 2000 萬美元，將頒發給第一個在 2015 年底之前成功將機器人送上月球、使機器人行駛約半英里並向地球發回高畫質影片的非政府團隊。二等獎獎金為 500 萬美元，加上其他成就（例如到達阿波羅登月點）的獎金，獎金總額達到 3000 萬美元。儘管有 26 支隊伍參賽，但惠特克的團隊顯然處於領先地位。他的公司 Astrobotic Technology 是第一個為將航天器和探測器送上月球的火箭支付首付款的團隊。惠特克還證明了自己是一位自主車輛的傑出建造者，這些車輛能夠在極端環境中導航。
谷歌月球 X 大獎賽正值美國太空計劃的一個重大轉折點。2010 年，根據美國載人航天飛行計劃審查委員會的建議，巴拉克·奧巴馬總統指示 NASA 鼓勵私營擁有和運營的宇宙飛船取代即將退役的太空梭。理由是，在 NASA 的投入和種子資金的支援下，私營公司可以比通常的大型承包商更快、更經濟地設計和建造政府機構所需的飛行器。本著同樣的精神，谷歌月球 X 大獎賽旨在培養一類新的私營行星任務，這種任務不依賴於昂貴的一次性航天器和可能無法持續超過一屆政府的政治承諾。相反，研究人員將付費給私營公司來發射他們的探測器和儀器。NASA 也增加了自己的激勵措施——額外撥出 3010 萬美元，分配給六個團隊，以表彰他們克服了許多政府探測器都難以解決的技術難題，例如在月球之夜生存。谷歌月球 X 大獎賽之後，私營航天公司未來的命運遠未確定，並非所有人都相信其服務存在市場，但許多研究人員對商業資助的太空科學前景感到興奮。
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測試發射
該競賽有一個先例，即 1000 萬美元的安薩里 X 大獎賽，該獎項於 2004 年結束，當時 SpaceShipOne 成為第一個離開大氣層的私營製造載人飛行器。SpaceShipOne 是一架由位於加利福尼亞州莫哈韋的 Scaled Composites 公司建造的火箭飛機，資金來自微軟億萬富翁保羅·艾倫。維珍銀河公司目前正在資助 SpaceShipTwo。該公司已收到個人超過 6000 萬美元的押金，他們願意每人支付 20 萬美元，以獲得在微重力下漂浮並從遠處觀看地球的機會。NASA 已與維珍公司和其他六傢俬營公司簽訂合同，讓其在 SpaceShipTwo 和其他航天器上搭載科學裝置，以進行有關在無重力狀態下轉移燃料等挑戰的實驗。現在，谷歌月球 X 大獎賽的組織者希望為機器人行星任務複製這一成功。
很少有人像雷德·惠特克那樣有資格將機器人送上月球。這位 63 歲的老人可能比任何其他個人在開發現場機器人技術學科方面做得更多——將機器人從汽車工廠等受控環境中解放出來，並將其釋放到野外從事有用的工作。在 20 世紀 80 年代，他設計和建造了機器人，用於探索部分熔燬的三里島核電站受損且具有危險放射性的區域。作為卡內基梅隆大學現場機器人中心的創始人和負責人，惠特克此後一直以在自主車輛領域開創新局面為職業。他創造了在南極冰原上搜尋隕石的機器人，以及爬入阿拉斯加和南極洲活火山隕石坑的機器人。
惠特克於 2007 年開始為谷歌月球 X 大獎賽做計劃，當時他正處於另一場競賽之中：美國國防高階研究計劃局 (DARPA) 的城市挑戰賽，該賽事在加利福尼亞州維克多維爾的前喬治空軍基地舉行。惠特克和他的學生以“Tartan Racing”團隊的名義，與通用汽車、大陸集團和其他贊助商合作，製造了一輛名為“Boss”的無人駕駛雪佛蘭 Tahoe。就在他贏得世界首個無人駕駛汽車城市街道競賽的第一名時，惠特克立即著手最終確定卡內基梅隆大學一門名為“高階移動機器人開發”的課程計劃。課程目錄中描述的這門課程的適度目標是“詳細描述、分析和模擬月球機器人著陸器，現場測試月球探測器原型，應對企業挑戰，並透過寫作、攝影和影片溝通任務進展情況”。該課程向卡內基梅隆大學任何領域、任何級別的學生開放。大約在同一時間，惠特克成立了營利性公司 Astrobotic Technology，並由長期從事太空事業的企業家大衛·岡普擔任負責人。岡普積極尋求企業贊助和潛在客戶，而惠特克則貢獻了他在現場機器人中心 29 年多的研究中積累的深厚知識。Astrobotic 的贊助商包括總部位於匹茲堡的美國鋁業公司，該公司捐贈了將探測器送上月球的航天器所需的鋁。
惠特克是一位前海軍陸戰隊員，也是一位化學家和一位炸藥推銷員的兒子。他說，將他的團隊創造的成果之一送上月球，將代表著他職業生涯的實現，他的機器人曾涉足陸地、水域、水下、地下以及地球上幾乎所有極端環境。在他看來，贏得月球不僅僅意味著獲得一等獎；Astrobotic 只有在實現所有額外目標後才能算作成功。“如果你沒有完成所有事情，”他說，“你就什麼都沒做。”
火箭科學
惠特克將 Astrobotic 的航天器和探測器送上月球的願景始於 SpaceX 的獵鷹 9 號火箭。SpaceX 的成立目標是大幅降低太空進入成本，它可能是谷歌月球 X 大獎賽競賽的關鍵推動者。惠特克認為，SpaceX 火箭將成為所有參賽隊伍的首選運載工具。“據我所知，每個美國競爭者都將目標鎖定在 SpaceX 上，”他說。即便如此，發射成本仍將是任何團隊的最大單項支出。雖然獵鷹 9 號的成本低於同類其他火箭，但其公佈的發射價格仍為 5400 萬美元——是最高獎金的兩倍多。SpaceX 的競爭對手不願討論他們自己的發射安排，但很明顯，SpaceX 已經憑藉歷史上最大的商業發射合同——與衛星通訊公司 Iridium 達成的 4.92 億美元的交易，顛覆了市場。
在紅色漫遊者搭載獵鷹 9 號離開地球大氣層後，Astrobotic 航天器和探測器堆疊體將拋棄其保護性整流罩，火箭的二級發動機將推動航天器和探測器駛向月球。 transit 將耗時五天。卡內基梅隆大學開發的制導、導航和控制軟體將使火箭保持在正確的軌道上。該軟體是使 Tartan Racing 贏得城市挑戰賽的程式碼的直接後代。自主駕駛和航天器駕駛的計算挑戰並沒有太大區別——相同的數學方法可以解決這兩個問題，這就是為什麼軟體如此相似的原因。Astrobotic 團隊成員兼博士候選人凱文·彼得森說，主要區別在於缺乏 GPS 來引導車輛。相反，航天器將透過參考恆星、月球和地球來繪製其飛往月球的軌跡。
一旦進入軌道，航天器和探測器必須下降到月球表面。1969 年，宇航員尼爾·阿姆斯特朗駕駛登月艙從軌道降落到月球上的特定位置，同時避開當地的危險，例如巨石和隕石坑。但是，地球與其衛星之間 25 萬英里的距離造成了時間延遲，這排除了地球上的飛行員進行即時控制的可能性，因此航天器的軟體必須自主完成阿姆斯特朗手動完成的工作。主下降發動機將燃燒以減慢航天器接近月球的速度，而小型推進器將保持車輛穩定。著陸器將在月球黎明後兩天著陸，並將展開兩條坡道（第二條是備用的，以防岩石或隕石坑阻礙第一條）。將坡道摺疊靠在梯子上的螺栓被設定為在強熱下斷裂。在坡道從航天器落到地面後，探測器將沿著其中一條坡道滾動到月球表面，雙目攝像頭掃描前方的地面。月球塵埃太滑，無法根據探測器車輪轉動的次數準確讀取行駛距離。相反，探測器的車載計算機將透過比較機器人移動時表面特徵的變化外觀來計算距離。防輻射元件將保護計算機免受無過濾的太陽和宇宙輻射的轟擊，而月球沒有空氣，會受到這些輻射的轟擊。
在匹茲堡，Astrobotic 團隊的任務控制中心成員將在漫長的月球日輪班工作 24 小時，使用源源不斷的低解析度影像引導紅色漫遊者前往有趣的特徵（包括，希望包括阿波羅登月點）。探測器將自主避開月球表面的危險。它將以加密資料塊的形式傳輸高畫質影片，至少在著陸後立即傳輸一個，並在任務後期傳輸一個，以滿足 X 大獎賽的要求。探測器還將傳送電子郵件、推文和 Facebook 帖子。
該團隊面臨的主要技術挑戰是確保紅色漫遊者能夠度過月球晝夜的極端環境，每個晝夜持續兩個地球周。在為期兩週的月球之夜，團隊計劃著陸的月球表面溫度從白天高於華氏 248 度的高溫驟降至約華氏零下 274 度。任何含有微量水分的元件（例如電池）都會因水分凍結和膨脹而遭受不可修復的損壞。唯一成功度過晝夜極端環境的探測器是 20 世紀 70 年代的蘇聯遙控月球探測器 Lunokhods。它們依靠放射性釙同位素來保暖。但是，Astrobotic 和其他競爭 X 大獎賽的私營公司無法獲得這些受到嚴格控制的材料。為了保護紅色漫遊者免受太陽的熱量影響，電池單元周圍的碳纖維結構將熱量傳導至探測器的外表面。在夜間，紅色漫遊者將進入休眠狀態，並在陽光照射下醒來，啟動由當時的卡內基梅隆大學機械工程本科生查爾斯·穆尼奧斯嚴格測試過的非水鋰鐵磷酸鹽電池。
這就是 X 大獎賽旨在激發的那種廉價創新。儘管 Astrobotic 很有可能贏得谷歌月球 X 大獎賽，但它面臨著來自印度和俄羅斯的激烈競爭，兩國正在聯合贊助一個月球探測器，而中國正在建造自己的探測器，該探測器將使用放射性同位素來保持月球之夜的動力。如果其中一個先到達月球，則最高獎金將降至 1500 萬美元。
競爭
惠特克的團隊也預計會受到其他 X 大獎賽參與者的強烈競爭。總部位於加利福尼亞州山景城的 Moon Express，由億萬富翁聯合創始人納文·賈恩和其他富有的個人投資者支援，可能是谷歌月球 X 大獎賽團隊中資金最充足的。該公司僅在 2010 年才加入競爭，即在比賽宣佈三年後，因此它落後於 Astrobotic。但它正在利用 NASA 開發的現有航天器平臺來克服其後來者的劣勢。另一位競爭者是總部位於科羅拉多州博爾德市的 Next Giant Leap，負責人是前美國空軍飛行員出身的企業家邁克爾·喬伊斯。喬伊斯的公司已與 Draper Laboratory（該公司設計了引導阿波羅號航天器飛往月球的制導、導航和控制系統）、麻省理工學院的一個小組以及 Sierra Nevada Corporation 的航天系統部門合作。它正在建造一種新型“跳躍”航天器，這種航天器無需單獨的探測器。該航天器重新點燃用於著陸的推進器，再次起飛並短距離移動到感興趣的區域。這個想法似乎可行，但前提是喬伊斯能夠籌集到必要的資金。
谷歌月球 X 大獎賽的組織者希望，如果他們建造了它，市場就會隨之而來——開發探測器並將它們送上月球將刺激新市場的增長。例如，Astrobotic 正在以每公斤（2.2 磅）180 萬美元和 200 萬美元的價格提供其航天器和探測器上的空間，外加 25 萬美元的“整合費”。至少對於馬里蘭大學物理學家道格拉斯·柯里等研究人員來說，商業任務上固定價格的保證位置將是一個福音。柯里和他的同事們希望在月球上放置一系列雷射測距反射器，以支援比阿波羅宇航員留下的反射器精確 100 倍的測量——前提是能夠找到可以搭載它們的任務。
X 大獎賽最持久的益處也許是激勵下一代科學家和工程師。這場競賽為惠特克的高階移動機器人開發課程增添了真實的刺激感。在 2011 年 4 月的最後一週課程中，Astrobotic 結構團隊的成員在卡內基梅隆大學行星機器人實驗室 3000 平方英尺的車間裡匆忙走動，該車間完全致力於月球探測器專案。他們正在測試用於破碎金屬螺栓的設計，這是一種替代典型爆炸螺栓的方案，它可以將坡道從航天器上脫開，以便探測器可以探索月球表面。研究生坎奇·納亞卡和一群本科生準備了一臺三腳架上的高速攝像機來記錄模擬過程。然後，學生們撥動開關，17.9 秒後，螺栓砰的一聲斷裂，坡道開啟並落到地面，準備迎接探測器的出現。
“太棒了！”納亞卡說。她從攝像機後退一步，對著一位訪客露出了笑容。“你一定是幸運星！”
本文以“奔向月球”為標題發表在印刷版上。