月船二號(hào):印度難度最大的航天項(xiàng)目

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《印度時(shí)報(bào)》最近報(bào)道，印度月球探測(cè)器月船二號(hào)（Chandrayaan-2）將于2019年年初發(fā)射，它的著陸器將用印度航天之父維克拉姆（Vikram）命名，以紀(jì)念維克拉姆誕辰100周年。月船二號(hào)探測(cè)器空前復(fù)雜，是印度有史以來(lái)難度最大的航天器項(xiàng)目，代表了印度航天的雄心壯志。

▲ 印度月球探測(cè)器月船二號(hào)2018年的宣傳海報(bào)

▲ 印度月球探測(cè)器月船二號(hào)任務(wù)

一波三折的“月船二號(hào)”

印度第一顆月球探測(cè)器月船一號(hào)于2008年發(fā)射升空，設(shè)計(jì)壽命兩年，但由于對(duì)月球反射帶來(lái)的熱輻射考慮不足，10個(gè)月就失去聯(lián)系?！霸麓惶?hào)”還是取得了不少科學(xué)發(fā)現(xiàn)，尤其是美國(guó)提供的月球礦物繪圖儀在極區(qū)發(fā)現(xiàn)了水的存在。受到“月船一號(hào)”成功的鼓舞，印度積極開展月球軟著陸探測(cè)任務(wù)，也就是月船二號(hào)探測(cè)器。

月球軟著陸探測(cè)任務(wù)難度高、技術(shù)復(fù)雜，而印度無(wú)論火箭還是衛(wèi)星都在主要國(guó)家中敬排末座?！霸麓惶?hào)”只是一顆1.38噸重的軌道器，使用PSLVXL火箭發(fā)射都要自行變軌飛向月球，“月船二號(hào)”任務(wù)對(duì)火箭要求更高，而且還要研制著陸器和月球車。印度早期決定和俄羅斯合作，“借船出?！甭?lián)合探月，俄羅斯將其稱為月球-資源項(xiàng)目。“月船二號(hào)”任務(wù)原定2012年發(fā)射，但“月船一號(hào)”失聯(lián)暴露的熱控問(wèn)題，讓印度空間研究組織不得不完善設(shè)計(jì)，發(fā)射推遲到2012年年底，隨后又推遲到2013年，和中國(guó)的嫦娥三號(hào)探測(cè)器狹路相逢！

▲ 印度月球探測(cè)器月船二號(hào)概念圖

▲ 印度月球車

月船二號(hào)探測(cè)器將使用GSLV火箭發(fā)射，它的軌道器由印度研制，著陸器由俄羅斯拉沃契金設(shè)計(jì)局研制，月球車由印度和俄羅斯分別研制。月船二號(hào)探測(cè)器總重量將達(dá)到2457千克，其中軌道器重量1317千克（包括50千克載荷），著陸器和月球車重量1100千克(包括50千克載荷)，這次任務(wù)的主要目標(biāo)之一就是去極區(qū)找水。由于預(yù)算問(wèn)題，俄羅斯的月球車被取消，但探測(cè)器重量不減反增，總重量增加到2.65噸，其中軌道器1.4噸、著陸器1.25噸。另外為了避免重蹈覆轍，軌道器飛行高度提高到200公里，降低熱控壓力。

然而計(jì)劃不如變化快，先是GSLV MKIII火箭的研制進(jìn)度不盡如人意，印度決定改用GSLV MKII火箭發(fā)射，更換火箭運(yùn)力下降帶來(lái)探測(cè)器的調(diào)整，項(xiàng)目進(jìn)度至少拖延六個(gè)月。2011年俄羅斯把福布斯-土壤探測(cè)器打飛了，不僅坑掉了中國(guó)的螢火一號(hào)火星探測(cè)器，也讓印度出了一身冷汗。俄羅斯研制的著陸器設(shè)計(jì)要進(jìn)行徹底評(píng)審，研制進(jìn)度滯后導(dǎo)致發(fā)射至少要推遲到2015年，印度索性甩開俄羅斯單干，獨(dú)立研制月球著陸器。不過(guò)這么一來(lái)，“月船二號(hào)”任務(wù)的發(fā)射就更遙遙無(wú)期了。

2012年印度進(jìn)行了著陸器研制的可行性研究，認(rèn)為印度能在2～3年內(nèi)研制出一個(gè)著陸器。但印度一直存在火箭運(yùn)力不足的問(wèn)題，原來(lái)用GSLV MKIII火箭畫餅充饑，即使改用GSLV MKII火箭，這種火箭仍不時(shí)發(fā)射失敗。直到2014年1月5日GSLV-D5發(fā)射成功，驗(yàn)證了火箭尤其是印度自行制造的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，印度空間研究組織才定下2016-2017年發(fā)射月船二號(hào)探測(cè)器的計(jì)劃?！霸麓?hào)”的研制絕非一帆風(fēng)順，2015年印度就調(diào)低了預(yù)期，把發(fā)射時(shí)間調(diào)整到2017-2018年，探測(cè)器總重量增加到3250千克。不過(guò)也有好消息，有了充裕的時(shí)間做好熱控和試驗(yàn)，軌道器的高度又降低到100公里，另外2015年9月印度還完成了著陸器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審。

“月船二號(hào)”項(xiàng)目的折騰還沒(méi)有結(jié)束。此后由于探測(cè)器研制進(jìn)度拖延和印度火箭發(fā)射失敗等原因，發(fā)射時(shí)間推遲到2018年10月，后來(lái)發(fā)射又進(jìn)一步推遲到2019年1月。有趣的是印度航天折騰了一圈，“月船二號(hào)”發(fā)射不忘初心，運(yùn)載火箭又換回了GSLV MKIII火箭，

繞落巡的月船二號(hào)探測(cè)器

印度“月船二號(hào)”探測(cè)任務(wù)將一步到位實(shí)現(xiàn)“繞落巡”，探測(cè)器包括軌道器、著陸器和巡視器三個(gè)組成部分。2016年印度打算用GSLV MKII火箭發(fā)射時(shí)，月船二號(hào)探測(cè)器組合體先被打入一個(gè)170公里×19500公里的橢圓軌道上，然后7天時(shí)間里自行機(jī)動(dòng)變軌進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，飛向月球并減速最終進(jìn)入100公里高度環(huán)月軌道?，F(xiàn)在月船二號(hào)探測(cè)器重量從3.25噸增加到3.85噸，比我國(guó)的嫦娥三號(hào)探測(cè)器還要略重，很難再用GSLV MKII火箭繼續(xù)湊合了。

雖然GSLV MKIII火箭4噸的GTO軌道運(yùn)載能力不如我國(guó)的長(zhǎng)征三號(hào)乙火箭，但發(fā)射3.85噸重的月船二號(hào)探測(cè)器還是綽綽有余的。它將把“月船二號(hào)”送入170公里×36000公里的橢圓軌道，月船二號(hào)隨后執(zhí)行變軌提升遠(yuǎn)地點(diǎn)，飛向月球并最終進(jìn)入繞月100公里軌道。相比只能進(jìn)入亞軌道的GSLV MKII火箭發(fā)射方案，得益于新型大火箭運(yùn)力的提高，“月船二號(hào)”軌道設(shè)計(jì)有了很大的改善。但新一代的GSLV MKIII火箭只成功發(fā)射過(guò)一次，它會(huì)不會(huì)在印度旗艦級(jí)的“月船二號(hào)”發(fā)射任務(wù)中掉鏈子，仍是一個(gè)不小的隱患。

月船二號(hào)探測(cè)器的軌道器重量增加到2.379噸，它不僅承擔(dān)了組合體變軌的重任，還帶有5種科學(xué)載荷在100公里高度的環(huán)月軌道上進(jìn)行科學(xué)研究，這些載荷分別是：

大面積軟X射線光譜儀（CLASS）和軟X射線監(jiān)視儀（XSM），它通過(guò)X射線測(cè)繪月球表面物質(zhì)的主要成分。

▲月船二號(hào)變軌示意圖

L波段和S波段合成孔徑雷達(dá)（SAR），它用于探測(cè)月表之下的土壤成分，尤其是極區(qū)可能存在的水冰。

紅外成像光譜儀（IIRS），它用于繪制0.8到5微米波段的大范圍月面地圖，尋找和研究月球的礦物質(zhì)、水分子和羥基。

地形繪圖攝像機(jī)-2（TMC-2），它工作在0.5到0.85微米波段，用于描繪月球表面的三維地圖。

中性粒子質(zhì)譜儀（ChACE-2），它用于測(cè)量和研究月球外大氣層的中性粒子。

月船二號(hào)探測(cè)器更大的看點(diǎn)是它的著陸器和巡視器，它們都由印度自行研制，攜帶的載荷也都是印度國(guó)產(chǎn)貨。維克拉姆號(hào)著陸器增重到1471千克，它使用印度自行研制的800牛變推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施軟著陸，著陸時(shí)先從100公里高度圓軌道進(jìn)入100公里×30公里的橢圓軌道，隨后開始軟著陸下降飛行。印度選取了月球南極區(qū)域南緯85度左右的四個(gè)候選區(qū)域，崎嶇陡峭的月面地形對(duì)軟著陸提出了很大的挑戰(zhàn)，“維克拉姆號(hào)”成功軟著陸的難度要比“嫦娥三號(hào)”甚至“嫦娥四號(hào)”還高。

“維克拉姆號(hào)”還裝上了月震儀（ILSA）、錢德拉月面熱物理實(shí)驗(yàn)（ChaSTE）、雙波段射電頻譜儀（DFRS）和朗繆爾探針?biāo)姆N有效載荷。ILSA用于在著陸區(qū)探測(cè)月震，據(jù)此了解月球外殼和月幔的結(jié)構(gòu)；ChaSTE用于測(cè)量月球表面的熱特征，看來(lái)印度人對(duì)“月船一號(hào)”的意外失控始終耿耿于懷；雙波段射電頻譜儀用于測(cè)量月球電離層的電子總含量（TEC）；朗繆爾探針用于測(cè)量月球表面的等離子體密度和每天的變化信息。

月船二號(hào)探測(cè)器的6輪巡視器/月球車雖然只有27千克，但除了成像器（RI）外仍攜帶了兩種不錯(cuò)的科學(xué)載荷：激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀（LIBS）和阿爾法粒子激發(fā)分光儀（APXS）。中國(guó)玉兔號(hào)月球車機(jī)械臂上就裝有APXS，我們對(duì)它自然并不陌生，它堪稱就地研究月球表面物質(zhì)成分的“大殺器”；LIBS使用超短脈沖激光聚焦樣品表面，灼燒產(chǎn)生等離子體再對(duì)此進(jìn)行光譜分析，確定樣品的物質(zhì)成分和含量，我國(guó)第一顆火星探測(cè)器的火星車就將使用LIBS進(jìn)行物質(zhì)成分分析。印度“月船二號(hào)“的月球車雖然體積重量遠(yuǎn)小于玉兔號(hào)月球車，但在科學(xué)探索領(lǐng)域重點(diǎn)突出科學(xué)載荷恰到好處，毫不夸張地說(shuō)實(shí)現(xiàn)了事半功倍的效果。

值得一提的是，印度月球車為了適應(yīng)極區(qū)太陽(yáng)低傾角的特殊環(huán)境，單塊太陽(yáng)能電池板設(shè)計(jì)上一直豎起來(lái)，和太陽(yáng)光構(gòu)成更大的夾角，從而獲得穩(wěn)定的電能供應(yīng)。不知道是不是玉兔號(hào)月球車的意外嚇到了印度人，印度空間研究組織宣布這輛月球車設(shè)計(jì)壽命只有14天（一個(gè)月球日），不過(guò)月球極區(qū)夜間溫度較高，這輛月球車即使活上幾個(gè)月甚至更久也不奇怪。

月船二號(hào)的發(fā)射和著陸

2019年1月左右，印度將從薩迪什·達(dá)萬(wàn)航天中心使用新型GSLV MKIII火箭發(fā)射月船二號(hào)探測(cè)器，這可能是這種運(yùn)載火箭的第三次或第四次發(fā)射，發(fā)射壓力巨大而且存在很大的變數(shù)。如果月船二號(hào)探測(cè)器成功發(fā)射，它的軌道轉(zhuǎn)移要比“月船一號(hào)”簡(jiǎn)單得多，對(duì)印度空間研究組織并沒(méi)有技術(shù)上的障礙。但是，這次繞落巡一體的月球探測(cè)任務(wù)難度很大。姑且不論軌道器、著陸器和巡視器三位一體帶來(lái)的復(fù)雜性，光是南緯85度極區(qū)著陸的挑戰(zhàn)就是空前的。

月球極區(qū)山嶺密布，南緯85度左右靠近南極點(diǎn)的極區(qū)月面地形十分復(fù)雜。印度“月船二號(hào)”著陸器上安裝的微型相機(jī)，在100～20公里高度范圍識(shí)別月面環(huán)形山，對(duì)著陸過(guò)程進(jìn)行導(dǎo)航控制；3公里到3米高度使用激光雷達(dá)（LIDAR）進(jìn)行精確避障工作。即使軟著陸的軟硬件做好了地面測(cè)試等準(zhǔn)備，但極區(qū)安全著陸還需要闖過(guò)地形識(shí)別和精確避障等一系列難關(guān)，下落過(guò)程中導(dǎo)航制導(dǎo)控制系統(tǒng)還要控制著陸器避開環(huán)形山的遮擋，在崎嶇不平的月面找到一塊盡可能平整的區(qū)域著陸，始終存在很大的風(fēng)險(xiǎn)。盡管有著這樣那樣的風(fēng)險(xiǎn)，但月球極區(qū)是月球科考的熱點(diǎn)，而“月船二號(hào)”將是第一個(gè)軟著陸極區(qū)的探測(cè)器。如果南極軟著陸成功，潛在的科學(xué)收益也是空前的。