月船2號(hào)：墜毀在陰影之中

文/遲惑

2019年9月，印度空間研究組織的月船2號(hào)探測(cè)器攜帶著維克拉姆號(hào)登陸器，開(kāi)始了這個(gè)國(guó)家歷史上第1次向月球表面軟著陸的努力，所選擇的位置是月球北極地區(qū)的一塊平地。但是，這個(gè)以印度航天先驅(qū)命名的探測(cè)器，并沒(méi)有成功著陸，反而砸在了月球表面的陰影里。雖然印度總理莫迪稱這次任務(wù)取得了99%的成功，但是如果我們回顧印度人在發(fā)射之前宣布的目標(biāo)，會(huì)發(fā)現(xiàn)這次任務(wù)應(yīng)該認(rèn)為是基本失敗了。

關(guān)于“維克拉姆號(hào)”墜毀的時(shí)間表，印度空間研究組織至今也沒(méi)有給出一個(gè)令人信服的說(shuō)法，各方面只能通過(guò)有限的數(shù)據(jù)進(jìn)行推測(cè)，我們?cè)谶@里就不再贅述了。但不管怎么說(shuō)，這次著陸的過(guò)程肯定不像印度人自己說(shuō)的那樣，“成功了99%”“功虧一簣”等等。

真正的印度制造

印度的許多前沿型號(hào)上，都有濃厚的國(guó)外技術(shù)痕跡。不過(guò)“月船2號(hào)”卻真的是印度獨(dú)立設(shè)計(jì)制造，這種獨(dú)立自主并不是印度想要的，而是被逼無(wú)奈。

“月船2號(hào)”由軌道器、著陸器和漫游車三部分組成。軌道器的名字也叫“月船2號(hào)”，著陸器稱為“維克拉姆號(hào)”。

▲印度除了依靠美國(guó)，也動(dòng)用了自己的深空測(cè)控站

▲印度空間研究組織負(fù)責(zé)人在發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)督戰(zhàn)

軌道器的起飛質(zhì)量大約是2379千克，其中有1697千克是推進(jìn)劑，軌道器的發(fā)電能力是1千瓦，根據(jù)設(shè)計(jì)它能夠繞月球飛行7.5年，如果在月球及軌道上的保持比較理想，還可以再延長(zhǎng)一年。月船2號(hào)軌道器是由印度斯坦航空工業(yè)公司制造的，這家公司在國(guó)際航空界享有“盛譽(yù)”，凡是經(jīng)它維修的飛機(jī)幾乎全都?jí)嫐Я?，被戲稱為印度航空兵最可怕的敵人。不過(guò)從“月船1號(hào)”和“月船2號(hào)”的飛行情況來(lái)看，這家企業(yè)在制造航天器方面的質(zhì)量控制還算不錯(cuò)。

維克拉姆號(hào)著陸器連同月球漫游車發(fā)射質(zhì)量總計(jì)1471千克，按照計(jì)劃，它從軌道器上分離之后，將首先進(jìn)入一條近月點(diǎn)30公里、遠(yuǎn)月點(diǎn)100公里的軌道，然后用液體發(fā)動(dòng)機(jī)逐步下降。維克拉姆號(hào)著陸器不是印度斯塔航空公司的作品，它是由印度空間應(yīng)用中心研制的。

▲印度空間研究組織尋找“維克拉姆號(hào)“

“維克拉姆號(hào)”所攜帶的月球車非常小，發(fā)射質(zhì)量只有27千克，據(jù)說(shuō)它僅僅由太陽(yáng)能電池來(lái)提供電力。它有6個(gè)輪子，各用一臺(tái)無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)速度是每秒鐘一厘米，設(shè)計(jì)行程為500米。漫游車本身不具備和地球通信的能力，所探測(cè)到的數(shù)據(jù)要通過(guò)著陸器轉(zhuǎn)發(fā)。這輛月球車只有兩件主要科學(xué)儀器，一是立體成像相機(jī)，用來(lái)生成三維圖像。另一臺(tái)是阿爾法粒子激發(fā)x射線波譜儀。據(jù)說(shuō)月球車的6個(gè)輪子上都刻著印度的國(guó)旗，可以在月球表面留下印度的痕跡，不過(guò)由于“維克拉姆號(hào)”著陸失敗，這臺(tái)獨(dú)具匠心的月球車也失去了在月球上蓋印章的機(jī)會(huì)。

靠不住的俄國(guó)人？

有一些觀點(diǎn)認(rèn)為，“維克拉姆號(hào)”的下降發(fā)動(dòng)機(jī)是來(lái)自俄羅斯的，因此俄羅斯要為軟著陸的失敗承擔(dān)很大責(zé)任。但這種觀點(diǎn)實(shí)際上并沒(méi)有事實(shí)依據(jù)。印度確實(shí)曾經(jīng)打算和俄羅斯合作研制“月船2號(hào)”，重點(diǎn)就是著陸器。然而這件事情無(wú)果而終，著陸器還是印度人自己搞的。

▲印度空間研究組織發(fā)布的“月船2號(hào)”軌道方案

▲印度空間研究組織給出的“維克拉姆號(hào)”下降軌跡

▲印度擁有32米和16米的深空測(cè)控天線

早在2007年11月12日，印度空間研究組織就和俄羅斯聯(lián)邦航天局簽署了關(guān)于“月船2號(hào)”的合作協(xié)議，由印度空間研究組織作為總承包方，研制軌道器和漫游車，俄羅斯聯(lián)邦航天局負(fù)責(zé)提供著陸器。2008年9月18日，印度內(nèi)閣在總理曼莫漢·辛格的主持下召開(kāi)專題會(huì)議，批準(zhǔn)了這份合作協(xié)議。2009年8月探測(cè)器總體設(shè)計(jì)完成，兩國(guó)技術(shù)人員開(kāi)始進(jìn)入工程實(shí)施階段。

印度這樣的選擇在情理之中，因?yàn)樘K聯(lián)是世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)無(wú)人著陸器降落在月球表面的，雖然俄羅斯航天與蘇聯(lián)航天相比不可同日而語(yǔ)，但畢竟還是繼承了它的衣缽。

印度空間研究組織嚴(yán)格按照計(jì)劃執(zhí)行著研制進(jìn)度，拿出了“月船2號(hào)”的有效載荷。但是到2013年1月，因?yàn)槎砹_斯沒(méi)有能夠按時(shí)把著陸器拿出來(lái)，所以發(fā)射日期推遲到了2016年，此后不久，由于發(fā)射“福布斯-土壤”火星探測(cè)器時(shí)遭遇失敗，俄羅斯聯(lián)邦航天局退出了“月船2號(hào)”的合作。

俄羅斯航天局退出后，印度空間研究組織只好靠自己。但從頭研制著陸器需要時(shí)間，所以把發(fā)射日期推遲到了2018年3月，后來(lái)又推遲到了4月，之后又打算推遲到10月。到了2018年的6月19日，印度空間研究組織召開(kāi)了第4次總體技術(shù)評(píng)審會(huì)，對(duì)系統(tǒng)配置和著陸程序做出了一些修改，這導(dǎo)致發(fā)射日期進(jìn)一步推遲到2019年上半年。然而在2019年2月的一次實(shí)驗(yàn)中，著陸器的兩條支腿遭到了些許破壞，發(fā)射日期只好推遲到2019年的7月14日，而著陸日期推遲到了2019年的9月6日。發(fā)射之前又發(fā)現(xiàn)了一些技術(shù)上的瑕疵，導(dǎo)致發(fā)射日期推遲到了7月22日，這一次沒(méi)有再發(fā)生推遲。

▲“維克拉姆號(hào)”打算在月球極區(qū)找水

▲“月船2號(hào)”的月球車很小

800牛頓發(fā)動(dòng)機(jī)從哪里來(lái)？

目前各種資料都顯示，“維克拉姆號(hào)”使用的下降發(fā)動(dòng)機(jī)有兩種，一種推力為80牛頓，一種推力為800牛頓。800牛頓推力的發(fā)動(dòng)機(jī)起到主減速發(fā)動(dòng)機(jī)的作用，而它的技術(shù)來(lái)源于印度GSAT通信衛(wèi)星平臺(tái)的遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)。

地球靜止軌道通信衛(wèi)星采用遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)是一種很普遍的設(shè)計(jì)。但多數(shù)遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力都是490牛頓左右，印度人的發(fā)動(dòng)機(jī)推力卻只有440牛頓。它用在印度自己的地球靜止軌道衛(wèi)星上還算是成功的，但是用來(lái)做月球著陸器的反推發(fā)動(dòng)機(jī)就有些不足了。

因此，印度空間研究組織通過(guò)一些研發(fā)工作，把這種發(fā)動(dòng)機(jī)的推力增大到了800牛頓。研發(fā)的細(xì)節(jié)基本上沒(méi)有披露，我們只是在互聯(lián)網(wǎng)上找到了一點(diǎn)有限的資料，是印度空間研究組織發(fā)動(dòng)機(jī)研制部門當(dāng)中負(fù)責(zé)燃料噴嘴的兩位專家撰寫(xiě)的。在論文的摘要中，兩位印度專家指出，他們已經(jīng)進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，噴嘴流量達(dá)到了設(shè)計(jì)最大流量的87%，這就讓人有些疑惑。一般來(lái)說(shuō)，用于航天飛行的器件和分系統(tǒng)，都要在超過(guò)設(shè)計(jì)指標(biāo)的條件下試運(yùn)行，來(lái)考察設(shè)計(jì)的可靠性和強(qiáng)健度，考驗(yàn)它能不能適應(yīng)極端條件下的使用。在其他的資料搜索當(dāng)中，我們也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)印度方面進(jìn)行了更大流量的實(shí)驗(yàn)。如果僅僅測(cè)試了87%的最大流量，就直接裝機(jī)上天飛行了，實(shí)在是一件不太嚴(yán)肅的事情。

▲“月船2號(hào)”升空備受印度媒體關(guān)注

▲“月船2號(hào)”和“維克拉姆號(hào)”組合在月球上空飛行

▲測(cè)試中的“維克拉姆號(hào)”，“月船2號(hào)”在后方

為什么在極區(qū)著陸

“維克拉姆號(hào)”這次的著陸地點(diǎn)選擇在了月球北極附近，應(yīng)該說(shuō)這個(gè)位置不完全在月球正面，對(duì)于地面觀測(cè)和指揮控制來(lái)說(shuō)有著一定的難度。那么印度為什么要選擇這么一個(gè)位置呢？這可以從政治和科學(xué)兩個(gè)方面來(lái)解釋。

從科學(xué)角度來(lái)說(shuō)，人們普遍推測(cè)，月球上即使有水，也只可能存在于兩級(jí)地區(qū)。這里比較寒冷，或許會(huì)有一些水冰蘊(yùn)藏。如果能在兩極地區(qū)真正找到水，就為人類下一步開(kāi)發(fā)利用月球，甚至于長(zhǎng)期駐守月球提供了基本條件。

從政治角度來(lái)說(shuō)，美國(guó)，蘇聯(lián)/俄羅斯都是在月球正面著陸的，中國(guó)在月球背面著陸引起了國(guó)際轟動(dòng)。但是以印度的航天科學(xué)實(shí)力，不可能實(shí)現(xiàn)在月球背面的著陸，那么怎樣選擇一個(gè)別人都沒(méi)有著陸過(guò)的地區(qū)，來(lái)實(shí)現(xiàn)月球探測(cè)的突破呢？那么此前沒(méi)有人著陸過(guò)的月球極區(qū)可能是一個(gè)相對(duì)比較理想的選擇。

失敗的原因

到目前為止，所有在月球表面軟著陸的探測(cè)器都采用了幾乎一樣的彈道方案。也就是先繞月飛行，然后噴氣制動(dòng)，把探測(cè)器的姿態(tài)從平飛轉(zhuǎn)向傾斜向下的飛行，逐步下降，最后降落在一個(gè)平坦的區(qū)域。

這個(gè)過(guò)程需要對(duì)著陸器本身的姿態(tài)和速度做極為精確的控制。特別是減速用的主發(fā)動(dòng)機(jī)，要求其推力可以精細(xì)調(diào)節(jié)。中國(guó)為了實(shí)現(xiàn)“嫦娥四號(hào)”的安全落月，研制生產(chǎn)了一種推力在7500牛頓到1500牛頓之間無(wú)極可調(diào)的著陸發(fā)動(dòng)機(jī)，這樣在整個(gè)向月面的下降和調(diào)姿調(diào)速過(guò)程當(dāng)中，都能根據(jù)地形的變化，精確而細(xì)致地控制推力，最后實(shí)現(xiàn)了著陸。

然而印度沒(méi)有可調(diào)推力發(fā)動(dòng)機(jī)，只能用5臺(tái)推力固定為800牛頓的發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)和下降。實(shí)際上印度空間研究組織為“維克拉姆號(hào)”設(shè)計(jì)了一種手動(dòng)擋式的著陸反推設(shè)計(jì)。就是說(shuō)在下降過(guò)程當(dāng)中，先用5臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)減速，隨著向月面著陸的過(guò)程不斷推進(jìn)，距離不斷減小，一臺(tái)一臺(tái)地關(guān)掉800牛頓發(fā)動(dòng)機(jī)，最后只保留兩臺(tái)，實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的著陸。

▲“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”同樣沒(méi)有解決變推力發(fā)動(dòng)機(jī)的問(wèn)題

▲“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”發(fā)回的最后一張照片

這樣的推力變化方式，對(duì)于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)直就是一場(chǎng)噩夢(mèng)。而且所減少的推力不是幾十牛頓幾牛頓，而是整整800牛頓，這會(huì)在推力曲線上呈現(xiàn)出非?？植赖臄嘌?。實(shí)際上我們稱之為手動(dòng)擋都不一定合適，因?yàn)樵谑謩?dòng)擋汽車上換擋之后，司機(jī)可以通過(guò)人力控制油門來(lái)實(shí)現(xiàn)事實(shí)上的驅(qū)動(dòng)功率平滑過(guò)渡。但是在維克拉姆號(hào)著陸器上并不具備這樣的功能。所以筆者非常懷疑，維克拉姆號(hào)著陸器實(shí)際上在第1次800牛頓發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)的時(shí)候就已經(jīng)失控翻滾著掉到月球上去了，印度空間研究組織目前發(fā)布的數(shù)據(jù)還不足以證明這個(gè)推測(cè)是不是正確。但是10月4日，在“維克拉姆號(hào)”著陸失敗后差不多一個(gè)月后，美國(guó)商務(wù)部部長(zhǎng)羅斯訪問(wèn)了班加羅爾，會(huì)見(jiàn)了印度空間研究組織負(fù)責(zé)人。事后，他對(duì)印度媒體說(shuō)，無(wú)論美國(guó)政府還是美國(guó)宇航局，都已經(jīng)沒(méi)有辦法再為“月球2號(hào)”和“維克拉姆號(hào)”做些什么了。因?yàn)椤熬S克拉姆號(hào)”的通信系統(tǒng)是印度人自己研制的，美國(guó)人無(wú)能為力。

在對(duì)此事的報(bào)道當(dāng)中，印度媒體也在不經(jīng)意間透露了這樣一個(gè)事實(shí)，在“維克拉姆號(hào)”的下降過(guò)程當(dāng)中，由于姿態(tài)控制上的問(wèn)題，反推發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際上是朝著天空而不是朝著月面噴射。這樣肯定不能起到減速的作用，反而是把“維克拉姆號(hào)”加速推向月球。因此，我們現(xiàn)在所要關(guān)心的是“維克拉姆號(hào)”到底摔成了多少塊，而不是它到底距離預(yù)定著陸地點(diǎn)多遠(yuǎn)。

既然沒(méi)有高性能的變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，那么在控制當(dāng)中還可以采取另外一個(gè)辦法，就是更加精密地控制姿態(tài)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射時(shí)間，用更短促的噴射來(lái)實(shí)現(xiàn)所需要的沖量，這樣著陸器的下降過(guò)程可能會(huì)更加顛簸一些，但是也可以實(shí)現(xiàn)成功著陸。然而這對(duì)控制系統(tǒng)的靈敏度，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)本身和燃料輸送系統(tǒng)電磁閥的開(kāi)閉響應(yīng)能力，提出了更苛刻的要求。印度空間研究組織顯然是做不到的。

實(shí)際上以色列的“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”月球著陸器采用的也是固定推力發(fā)動(dòng)機(jī)，也遇到了和“維克拉姆號(hào)”同樣的問(wèn)題。從視頻情況看，以色列方面的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)師水平可能更高一些。我們確切地看到了“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”在月球表面減速轉(zhuǎn)向，然后垂直下降的過(guò)程。但是很顯然，“創(chuàng)世紀(jì)號(hào)”剛剛把姿態(tài)調(diào)整為垂直下落，就失控了。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，變推力發(fā)動(dòng)機(jī)看來(lái)是月球著陸必備的關(guān)鍵分系統(tǒng)。

▲“維克拉姆號(hào)”的理想降落狀態(tài)

殘骸無(wú)處尋

維克拉姆號(hào)著陸器失敗以后，印度方面動(dòng)用了很大的力量來(lái)查找它的下落。這在很大程度上也是為了給自己一個(gè)交代，“維克拉姆號(hào)”到底掉在了什么地方，摔成了什么樣子，自己距離真正意義上的成功還有多遠(yuǎn)，這可能是印度航天科研工作者非常想知道的。

印度動(dòng)用了兩種資源來(lái)查找“維克拉姆號(hào)”的下落。一種是它自己的軌道器，也就是月船2號(hào)繞月飛行器，另一種就是美國(guó)的月球勘測(cè)軌道器?！熬S克拉姆號(hào)”失敗之后沒(méi)有多久，印度空間研究組織就放出消息，說(shuō)“月船2號(hào)”已經(jīng)拍攝到了“維克拉姆號(hào)”的殘骸，距離預(yù)定著陸地點(diǎn)并不遠(yuǎn)。但是提供給媒體的照片卻讓人疑竇叢生，這是一張分辨率極低的的廣角照片，幾乎小半個(gè)月球都呈現(xiàn)在這張照片上，要在這樣小比例尺的圖片上找到一個(gè)一米多直徑的著陸器幾乎是不可能的，而且這個(gè)著陸器很可能已經(jīng)摔得七零八落了。月球勘測(cè)軌道器也對(duì)著陸地點(diǎn)進(jìn)行了多輪拍攝，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)探測(cè)器的殘骸。據(jù)美國(guó)宇航局方面解釋，這是因?yàn)閴嫐У攸c(diǎn)處在山脈的陰影當(dāng)中。月球上沒(méi)有大氣，因此也就不可能折射太陽(yáng)光，陰影之處就是真正意義上的黑暗，什么都看不見(jiàn)，什么也拍不到。月球勘測(cè)軌道器是一顆分辨率非常高的探測(cè)器，我們可以認(rèn)為它是月球的高分辨率遙感衛(wèi)星。在國(guó)際月球探測(cè)當(dāng)中，月球勘測(cè)軌道器發(fā)揮了重大的作用，中國(guó)在為“嫦娥四號(hào)”選擇著陸地點(diǎn)的時(shí)候，也大量使用了月球勘測(cè)軌道器提供的遙感圖像。所以月球勘測(cè)軌道器沒(méi)有拍到“維克拉姆號(hào)”的殘骸，并不是美國(guó)人在故意搪塞，而是真的什么都沒(méi)有拍到。

部分印度媒體在“維克拉姆號(hào)”失去聯(lián)系之后，還發(fā)出了奇怪的言論，稱美國(guó)的深空測(cè)控通信網(wǎng)（簡(jiǎn)稱深空網(wǎng)）在“維克拉姆號(hào)”即將著陸的時(shí)候，突然切斷了通信，導(dǎo)致著陸失敗。這種無(wú)稽之談，反映了印度文化傳統(tǒng)當(dāng)中的一種惡習(xí)，出了壞事就把責(zé)任推給其他人。

深空網(wǎng)是這個(gè)世界上功能最強(qiáng)大的空間探測(cè)基礎(chǔ)設(shè)施之一。除了中國(guó)之外，世界各國(guó)的深空探測(cè)項(xiàng)目，包括日本、印度、俄羅斯和歐洲，都要在星際探測(cè)活動(dòng)中部分借助深空網(wǎng)。當(dāng)然，這些國(guó)家也會(huì)為美國(guó)提供自己的測(cè)控資源，這是航天國(guó)際合作的一種默認(rèn)模式。中國(guó)之所以無(wú)法使用深空網(wǎng)的優(yōu)異性能，主要是因?yàn)槊绹?guó)政客設(shè)置了極為不合理的政治障礙，使美國(guó)宇航局無(wú)法和中國(guó)開(kāi)展空間技術(shù)合作。實(shí)際上深空網(wǎng)在近幾十年的國(guó)際星際探索當(dāng)中一直在發(fā)揮相當(dāng)積極而正面的作用，各方對(duì)它的評(píng)價(jià)都很高。印度空間研究組織從官方層面上也沒(méi)有呼應(yīng)這種無(wú)稽之談。實(shí)際上“維克拉姆號(hào)”的墜毀才是造成信號(hào)中斷的原因，而不是因果相反。

▲月球勘測(cè)軌道器拍攝到了嫦娥四號(hào)，但是沒(méi)有找到“維克拉姆號(hào)”的殘骸