印度“曼加里安”火星探測任務背后的影響因素分析

張京男 單文杰 蔡聞一 蔣佳玲 張承志（中國運載火箭技術研究院研究發(fā)展中心）

印度“曼加里安”火星探測任務背后的影響因素分析

張京男 單文杰 蔡聞一 蔣佳玲 張承志（中國運載火箭技術研究院研究發(fā)展中心）

2014年9月24日，印度空間研究組織（ISRO）正式對外宣布，印度首個火星探測器“曼加里安”（Mangalyaan）歷經(jīng)10個月、跋涉6.66×108km后在當?shù)貢r間07：47成功進入火星軌道，在離火星表面大約500km，距離地球約2.15×108km處正常運行，開始執(zhí)行為期6個月的探測任務。

1 重要意義與影響

該任務使印度成為亞洲首個，繼美國、俄羅斯和歐盟之后全球第4個依靠自主研發(fā)實現(xiàn)火星探測的國家，也是全世界唯一一個首次火星探測任務就成功的國家。在軍事與國防總體能力方面，是印度繼1998年成功進行3次地下核試驗、2012年成功試射自主開發(fā)的能攜帶核彈頭的烈火－5導彈之后又一次標志性提升；在深空探測方面，是繼2008年10月印度月船－1（Chandrayaan－1）執(zhí)行探月任務之后，印度第2次大型深空探測項目，有助于推進印度“十二五”期間的各項太空科學活動；在經(jīng)濟提振方面，印度國內(nèi)“應該將錢花在衛(wèi)生福利上面”的輿論消失了，近年來印度經(jīng)濟處于下行通道的嚴峻時期，有助于帶動印度經(jīng)濟和自信心的恢復；在國際政治方面，改變了西方媒體對印度航天一直唱衰的態(tài)度，并為印度爭取成為聯(lián)合國安理會常任理事國再添砝碼。

2 任務成功因素分析

此次探測任務分為發(fā)射、地球軌道機動、火星轉移軌道、進入火星軌道和在軌工作5個階段，整個工程能夠順利開展取決于多方面的因素。

航天研究機構對太空發(fā)展計劃的有效部署

1972年，印度成立了太空委員會（SC）和太空部（DOS）。太空委員會負責印度太空活動的政策起草和科研項目監(jiān)管，并帶來社會經(jīng)濟效益；太空部所屬的印度空間研究組織擁有專門負責研究太空發(fā)展計劃的太空科學咨詢委員會（ADCOS），該部門將印度第11個5年計劃（2007－2012年）中的太空科學發(fā)展重點聚集于5個方面：地外行星探測、天文與天體物理研究、太空天氣、地球天氣與氣候，開展了多項新太空任務，包括火星探測器、月球探測器、小行星探測器、彗星飛略與外太陽系探索等任務?！笆晃濉逼陂g開展研制的“曼加里安”、月船－2、天文衛(wèi)星－1（Astrosat－1），阿迪亞－1（Aditya－1）等深空探測項目，預計相繼在國家第12個5年計劃中實現(xiàn)。

利用靈活而可靠的“極軌衛(wèi)星運載火箭”

裝配中的月船－1

“極軌衛(wèi)星運載火箭”（PSLV）主要用于發(fā)射太陽同步軌道及近地軌道衛(wèi)星，可同時服務于印度政府的科研、民用與軍用任務，也可服務于國外多樣化的商業(yè)客戶，并可實現(xiàn)“一箭多星”發(fā)射?；鸺蛹壓退淖蛹壊捎靡后w火箭發(fā)動機，一子級、三子級以及助推器采用固體火箭發(fā)動機。在2014年8月之前，“極軌衛(wèi)星運載火箭”共發(fā)射了27次，除了1993年9月首次發(fā)射失敗之外，其余26次均已成功，在有效載荷靈活性的基礎上兼具高可靠性。

經(jīng)驗證的探測器技術

“曼加里安”任務雖然是印度首次進行的地月外星際任務，但采用了印度月船－1月球探測器等任務的成熟技術，并由月船－1改裝而來，質(zhì)量為1350kg，其中燃料部分為852kg。探測器主體結構仍由印度斯坦航空有限公司（HAL）研制，印度空間研究組織繼續(xù)負責進行探測器主發(fā)動機的地面試驗工作，并集成有效載荷。

最簡化的有效載荷功能

經(jīng)過研究，太空科學咨詢委員會將“曼加里安”的有效載荷數(shù)量從33個減少到9個，最后確定為5個，其質(zhì)量僅約15kg。這一數(shù)字遠遠小于美國“火星大氣與揮發(fā)物演變”（Maven）火星探測器的載荷質(zhì)量，使得探測器的體積最小化，提升了任務的可靠性。雖然“曼加里安”在科學功能方面弱于美國火星探測器，但其有效載荷可以完成火星大氣、粒子環(huán)境研究、表面成像這三類主要研究工作。

“曼加里安”發(fā)回的火星表面照片

其上的“火星大氣層成分探測器”（MENCA）由印度空間研究組織的維克拉姆薩拉巴伊航天中心（VSSC）提供，其余由印度空間研究組織航天應用中心提供。

可靠而廣泛分布的自建測控網(wǎng)絡

在地球軌道階段，印度空間研究組織遙測、跟蹤、指揮網(wǎng)（ISTRAC）地面網(wǎng)絡實施遙測、跟蹤與控制（TT&C），負責印度所有的近地軌道衛(wèi)星以及星際任務的運營與保障。在印度國內(nèi)的站點位于印度的班加羅爾、布萊爾港、特里凡得瑯，在國外的站點包括毛里求斯、文萊以及印度尼西亞比亞克島。印度S頻段兩艘輪船監(jiān)測站，位于南太平洋上，分別搭載了4.6m和1.8m天線，監(jiān)測“極軌衛(wèi)星運載火箭”與飛船分離動作。

印度深空通信網(wǎng)（IDSN）建于班加羅爾附近的Bylalu，由印度工業(yè)部門建立，擁有11m、18m和32m天線。“曼加里安”作深空飛行時使用X頻段進行高速率上行與下行鏈路傳輸探測器與有效載荷數(shù)據(jù)，上行鏈路功率20kW，曾在月船－1探月工程中執(zhí)行過跟蹤任務。

在自建測控網(wǎng)執(zhí)行任務的同時，美國航空航天局/美國噴氣推進實驗室（NASA/JPL）的深空通信網(wǎng)絡站點位于美國戈德斯登、澳大利亞堪培拉、西班牙馬德里，擁有34m與70m天線工作網(wǎng)絡，功率為200kW，也為“曼加里安”提供了通信與導航支持。

3 成本控制因素分析

據(jù)媒體報道，印度此次任務成本為45億盧比（約合4.52億元人民幣，7400萬美元），僅相當于一架大型客機的造價，大約是美國“火星大氣與揮發(fā)物演化任務”火星計劃花費的1/10（6.71億美元，約合人民幣41.16億元）。其原因主要體現(xiàn)在以下幾方面。

實施全面預算制度，有效控制任務成本

印度空間研究組織負責印度航天發(fā)展的全面預算計劃和管理執(zhí)行，包括：運載火箭（研制半低溫發(fā)動機、科研單位、火箭研制）、衛(wèi)星（衛(wèi)星研制、試驗室、通信與探測網(wǎng)絡等）、空間科學技術（月船－1月球探測、“曼加里安”火星探測等）、空間應用技術、管理機構、服務運營等，均納入預算范圍，確保任何一項任務成本得到控制。

根據(jù)印度空間研究組織制定并全面公開的太空發(fā)展預算，此次火星探火任務工程總預算是4.52億元人民幣。2012年、2013年“曼加里安”組裝、集成和試驗的預算共計2.925億元人民幣。根據(jù)印度空間研究組織在2013年的預算數(shù)據(jù)，初步計算出極軌衛(wèi)星運載火箭－C25發(fā)射成本為1.8億元人民幣左右，與探測器成本相加共計4.625億元人民幣，與預算數(shù)據(jù)基本相同。可以看出，通過提前制訂的公開預算，能夠促進對任務成本的有效控制。

使用本國技術和元器件，降低產(chǎn)品配套成本

印度太空部致力于本國工業(yè)部門參與航天研制與發(fā)展計劃，目前已有超過500家大、中、小型工業(yè)部門參與硬件生產(chǎn)與軟件開發(fā)等服務，生產(chǎn)制造一枚火箭的成本中有60%來自于印度工業(yè)部門，如印度安得利（Antrix）公司、印度斯坦航空有限公司等。此次“曼加里安”火星探測任務本著本國產(chǎn)品優(yōu)先采用的原則，使用的幾乎全部是印度本土開發(fā)和制造的價格較為便宜的產(chǎn)品，如有效載荷、測控網(wǎng)、探測器結構等。

采用已有成熟技術，有效降低任務風險

印度近年來大力開發(fā)多個大型航天工程，印度空間研究組織此次開展工程研制的原則是：盡最大可能采用現(xiàn)有成熟技術，不怕其陳舊，不追求單項技術的先進；最大限度地用軟件模擬測試來替代實體模型；盡可能完善試驗，優(yōu)化測試。這些原則使印度工程師沒有嘗試其他新方法的機會，從而降低了風險，提高了成效。但印度空間研究組織主席也表示，缺少創(chuàng)新是其工程迅速和高效背后存在的弊端。

人工成本占比低，研制團隊規(guī)模小

在全球其他國家的空間項目預算成本構成中，科學家和工程師的薪酬占有很大比重，而印度把人力成本控制在了預算的15%以下。一方面，參加此次印度探測火星任務的工程研制人員總共大約2500人，團隊規(guī)模十分有限；另一方面，印度工程師的工資較低，一個中層人員的月薪約為10000元人民幣左右，而初級航天工程師的工資大約是每月6200元人民幣，還不到西方同類工程師的1/3。

4 任務成功帶來的啟示

科學合理地編制航天科研任務預算，并逐步實現(xiàn)透明化

印度航天與歐美航天發(fā)展具有一定的共同點，即在制定明確的大型航天工程計劃時，將計劃詳細分解為大量的子計劃，并明確每個子計劃的預算數(shù)額。所有信息都公開對外發(fā)布，并且針對預算或計劃未能如期完成的情況會說明詳細原因。這在一定程度上約束了工程成本的支出，形成了有效的成本控制機制。任務預算與任務信息的透明化，將有助于更多的社會技術與資本參與航天工程，推動項目快速高效發(fā)展。

在自主研制的基礎上開展國際合作，解決任務瓶頸問題

通過此次任務可以看出，印度自建的測控網(wǎng)絡站點不僅分布于印度國內(nèi)，還在東南亞、非洲等地區(qū)的多個國家進行了部署，這些觀測站在任務執(zhí)行過程中發(fā)揮了重要作用。與此同時，印度此次任務在發(fā)射測控和深空通信網(wǎng)絡方面都得到了美國先進航天技術機構的大力支持與保障。中國和印度目前都沒有建立完備的全球深空通信網(wǎng)絡，在自主研制原則下爭取必要的國際力量，可以為當前和未來航天任務的成功提供重要保障。

從已有航天工程和項目中汲取經(jīng)驗，充分挖掘技術與系統(tǒng)的繼承性潛力

印度空間研究組織在負責印度火星探測任務的同時，也是2008年印度探月工程的實施者。雖然月船－1探月任務僅僅執(zhí)行了312天，遠未達到2年的預期目標，但印度空間研究組織在高輻射環(huán)境對電子器件影響、熱管理系統(tǒng)、冗余的小型化傳感器等方面獲得了寶貴經(jīng)驗?；谠麓?衛(wèi)星平臺，將月船－1改裝成“曼加里安”用于執(zhí)行火星任務。印度已完成的大型航天系統(tǒng)工程并不多，但此次火星探測充分利用了工程繼承與經(jīng)驗教訓的雙重作用，實現(xiàn)了任務的快速完成和成本控制。

利用科學的風險評估方法，驗證任務高風險環(huán)節(jié)和系統(tǒng)性能

印度在此次探火任務過程中，通過一種“技術風險依賴結構矩陣”（TR-DSM）識別出了具有若干高風險的開發(fā)組件與分系統(tǒng)，主要包括主發(fā)動機、熱控系統(tǒng)、自主飛行軟件系統(tǒng)、深空通信、導航電子器件與傳感器；同時認清了多項高難度技術問題，如與探測器進行通信會有20min延遲，用300天時間進入火星軌道時需要再次啟動發(fā)動機等。因此，對于大型復雜的航天工程，充分利用先進而科學的風險評估方法，將有助于工程經(jīng)驗與知識的積累。

組裝中的“曼加里安”

各國航天領域能力細分統(tǒng)計

客觀而清醒地看待各國航天實力的現(xiàn)狀，保持穩(wěn)健而自主的發(fā)展節(jié)奏

雖然印度探測器此次成功進入火星軌道，成為亞洲火星探測的領先者，但各國航天發(fā)展情況與任務能力仍需客觀看待。

1）中、印兩國航天任務能力比較相近，都具備了基本能力，但尚未進行過地球軌道空間站任務和小行星探測。

2）中國僅在火星探測任務方面落后于印度，其他方面具有優(yōu)勢，尤其是載人航天任務及其航天員隊伍方面，與印度相比優(yōu)勢非常突出。

3）目前中國是繼美國和俄羅斯之后能獨立掌握并實現(xiàn)載人航天的國家，而歐洲和日本主要依賴美國和俄羅斯，且成效尚顯不足。

4）印度在此次成功探測火星的基礎上，有可能依靠國內(nèi)政治推動力和歐美國家先進技術，大力發(fā)展載人航天。

5）深空通信能力成為中國開展深空探測的主要技術瓶頸，目前正在大力開發(fā)中，有待在未來發(fā)揮作用。

通過對比可知，針對印度此次探測火星任務，需要我們進一步認清嚴峻的國際競爭與技術挑戰(zhàn)，充分挖掘現(xiàn)有技術發(fā)展?jié)摿?，突破約束，爭取合作，建立以自主規(guī)劃、自主研制為基礎的深空探測發(fā)展路徑。

5 結束語

近年來，印度在航天領域取得了長足的進步和快速的發(fā)展，并制定了多個宏偉的太空發(fā)展計劃，此次印度“曼加里安”成功入軌僅是其中之一。印度致力于突破各項任務挑戰(zhàn)，試圖打造在亞洲的航天大國優(yōu)勢，其發(fā)展路徑中的可取之處與技術態(tài)勢有必要進一步深入研究，并給予高度關注。