未来几年，NASA 将在月球上忙碌。
可能在夏末之前，一个巨大的火箭将在没有宇航员的情况下在月球周围和背部发射一个太空舱。 一系列机器人着陆器将在月球上进行实验，以收集大量科学数据，尤其是关于锁在极地地区的水冰。 几年后，宇航员将返回那里，距上次阿波罗登月已有半个多世纪。
这些都是美国宇航局 21 世纪以阿尔忒弥斯命名的月球计划的一部分，在希腊神话中，阿尔忒弥斯是阿波罗的孪生姐妹。
周一早些时候，一艘名为 CAPSTONE 的宇宙飞船计划作为第一颗前往月球的阿尔忒弥斯飞船发射。 与接下来的内容相比，它的规模和范围适中。
CAPSTONE 上不会有任何宇航员。 飞船太小了，大约有微波炉那么大。 这个机器人探测器甚至不会登陆月球。
但它在很多方面都不同于之前的任何登月任务。 它可以作为 NASA 未来可以开展的公私合作的模板，以便在星际航行中获得更好的收益。
为 NASA 管理该任务的公司 Advanced Space 的首席执行官兼总裁 Bradley Cheetham 说：“NASA 以前曾登上月球，但我不确定它是否曾经像这样组合在一起。”
发射覆盖率 将于美国东部时间周一凌晨 5 点在美国国家航空航天局电视台播出。 火箭必须在凌晨 5 点 50 分的准确时刻发射，以使航天器升空到正确的轨道。
该任务的全称是地月自主定位系统技术操作和导航实验。 它将作为月球轨道的侦察兵，最终将建造一个载人空间站，作为阿尔忒弥斯的一部分。 那个名为Gateway的前哨站将作为一个中转站，未来的工作人员将在此停留，然后继续前往月球表面。
CAPSTONE 在几个方面对 NASA 来说是不寻常的。 一方面，它不是在佛罗里达而是在新西兰的发射台上。 其次，NASA 没有设计或建造 CAPSTONE，也不会运营它。 该机构甚至不拥有它。 CAPSTONE 隶属于 Advanced Space，这是一家位于丹佛郊区的拥有 45 名员工的公司。
航天器正在以缓慢但高效的轨道前往月球，于 11 月 13 日抵达。如果天气或技术问题导致火箭错过了瞬时发射时刻，那么到 7 月 27 日还有额外的机会。如果航天器离开届时，它仍将在同一天到达月球轨道：11 月 13 日。
CAPSTONE 任务继续努力，NASA 以新的方式与私营公司合作，希望以更低的成本更快地获得额外的能力。
“这是 NASA 找出所需内容并降低成本的另一种方式，”NASA 管理员比尔·尼尔森 (Bill Nelson) 说。
Advance Space 与 NASA 于 2019 年签署的 CAPSTONE 合同耗资 2000 万美元。 CAPSTONE 的太空之旅既小又便宜：一次发射不到 1000 万美元 美国-新西兰公司 Rocket Lab 这是将小型有效载荷送入轨道的领导者。
美国宇航局小型航天器技术项目主管克里斯托弗·贝克说：“三年内将低于 3000 万美元。” “相对快速且成本相对较低。”
“我确实认为这是我们如何帮助促进地球以外的商业任务的探路者，”贝克先生说。
Cheetham 博士说，CAPSTONE 的主要任务是持续六个月，并有可能再延长一年。
它收集的数据将帮助被称为网关的月球前哨的规划者。
当唐纳德·J·特朗普总统在 2017 年宣布其政府太空政策的首要任务是将宇航员送回月球时，NASA 的流行语是“可重复使用”和“可持续”。
这导致美国宇航局在月球周围建造一个空间站，作为宇航员如何到达月球表面的关键部分。 这样的中转站将使他们更容易到达月球的不同部分。
目前计划于 2025 年进行但可能推迟的第一次阿尔忒弥斯登陆任务将不会使用网关。 但后续任务会。
美国宇航局决定，放置这个前哨的最佳地点是在所谓的近直线晕圈轨道上。
光环轨道是受两个物体重力影响的轨道——在这种情况下是地球和月球。 这两个天体的影响有助于使轨道高度稳定，最大限度地减少保持航天器绕月运行所需的推进剂数量。
引力相互作用还使轨道与地球的视线保持约 90 度角。 （这是名称中近乎直线的部分。）因此，在这个轨道上的航天器永远不会经过月球后面的通信会被切断的地方。
网关将运行的轨道距离月球北极约 2,200 英里，并在越过南极时环向 44,000 英里以外。 绕月一圈大约需要一周时间。
就基础数学而言，像近直线晕圈轨道这样的奇异轨迹是很好理解的。 但这也是以前没有航天器去过的轨道。
因此，顶点。
“我们认为我们对它进行了非常非常好的表征，”Gateway 的项目经理 Dan Hartman 说。 “但有了这个特殊的 CAPSTONE 有效载荷，我们可以帮助验证我们的模型。”
在实践中，如果没有任何围绕月球的全球定位系统卫星来精确定位，可能需要一些反复试验才能弄清楚如何最好地将航天器保持在所需的轨道上。
“最大的不确定性实际上是知道你在哪里，”奇瑟姆博士说。 “你永远不会在太空中真正知道你在哪里。 所以你总是可以估计它在哪里，周围有一些不确定性。”
与其他 NASA 任务一样，CAPSTONE 将使用三角测量其位置估计 来自 NASA 深空网络的信号 无线电碟形天线，然后，如有必要，在经过离月球最远的点后，将自身推回所需的轨道。
CAPSTONE 还将测试另一种寻找位置的方法。 任何人都不太可能花费时间和费用在月球周围建立 GPS 网络。 但还有其他航天器，包括 美国宇航局的月球勘测轨道器，环绕月球，未来几年可能还会有更多。 通过相互通信，在不同轨道上的航天器舰队实质上可以建立一个临时的 GPS。
Advanced Space 已经开发这项技术超过七年，现在它将通过 CAPSTONE 与月球勘测轨道器来回发送信号来测试这一概念。 “随着时间的推移，我们将能够确定两艘航天器的位置，”奇瑟姆博士说。
在开始开发 CAPSTONE 时，Advanced Space 还决定在航天器中添加一个计算机芯片级的原子钟，并将该时间与地球广播的时间进行比较。 这些数据还可以帮助确定航天器的位置。
由于 Advanced Space 拥有 CAPSTONE，因此它可以灵活地进行更改，而无需获得 NASA 的许可。 虽然该机构仍在此类项目上密切合作，但这种灵活性对于像 Advanced Space 这样的私营公司和美国宇航局来说都是一个福音。
“因为我们与供应商签订了商业合同，所以当我们需要更改某些内容时，不必对政府合同官员进行大量审查，”Cheetham 博士说。 “从速度的角度来看，这有所帮助。”
另一方面，由于 Advanced Space 已经为该任务协商了固定费用，该公司无法向 NASA 要求额外的资金（尽管由于 Covid-19 大流行导致供应链延迟，它收到了额外的付款）。 更传统的 NASA 合同被称为“成本加成”，为公司支付费用，然后再加上一笔费用——作为利润获得——除此之外，这几乎没有激励他们控制成本。
“随着事情的发展，我们必须弄清楚如何非常有效地处理它们，”Cheetham 博士说。
这类似于美国宇航局与埃隆马斯克的 SpaceX 使用固定价格合同的成功战略，该公司现在以比该机构自己的航天飞机低得多的成本运送货物和宇航员往返国际空间站。 对于 SpaceX，NASA 的投资使其能够吸引有兴趣将有效载荷和私人宇航员送入轨道的非 NASA 客户。
在 CAPSTONE 之前，Advanced Space 的工作主要是理论性的——分析轨道和为其 ad hoc GPS 编写软件——而不是建造和运营航天器。
该公司还没有真正从事航天器制造业务。 “我们买了飞船，”奇瑟姆博士说。 “我告诉人们，我们在 Advanced 制造的唯一硬件是乐高积木。 我们有一个很棒的乐高系列。”
在过去的几十年里， 被称为 CubeSats 的微型卫星激增，使更多公司能够基于标准化设计快速建造航天器，其中每个立方体的大小为 10 厘米或 4 英寸。 CAPSTONE 是最大的，体积为 12 个立方体，但 Advanced Space 能够从加利福尼亚州欧文的 Tyvak Nano-Satellite Systems 购买它，几乎是现成的。
这仍然需要解决很多问题。 例如， 大多数立方体卫星 它们位于近地轨道上，距离地表仅几百英里。 月球距离地球近 25 万英里。
“没有人在月球上驾驶过 CubeSat，”Cheetham 博士说。 “因此，没有人制造无线电来让 CubeSat 在月球上飞行是有道理的。 因此，我们必须真正深入了解其中的很多细节，并与几个不同的人合作，才能拥有可以工作的系统。”
Gateway 项目经理 Hartman 先生对 CAPSTONE 感到很兴奋，但表示这对于推进月球前哨站并不重要。 NASA 已经签订了建造 Gateway 前两个模块的合同。 欧洲航天局也贡献了两个模块。
“没有它我们能飞吗？” 哈特曼先生谈到了顶点。 “是的。 它是强制性的吗？ 不。”
但他补充说，“任何时候你可以减少模型中的误差线总是一件好事。”
Cheetham 博士正在考虑接下来会发生什么，也许是为 NASA 或其他商业合作伙伴执行更多登月任务。 他也想得更远。
“我对思考我们如何才能做类似火星的事情非常感兴趣，”他说。 “实际上，我个人对金星也很感兴趣。 我认为它没有得到足够的重视。”