月船3 號(hào)：帶著印度的夢(mèng)想著陸月球

文/張晨

▲ “月船3 號(hào)”搭乘LVM3 運(yùn)載火箭發(fā)射升空

北京時(shí)間2023 年7 月24 日20:47，印度的月船3 號(hào)月球探測(cè)器搭乘LVM3 火箭發(fā)射升空，開(kāi)始了奔向月球的旅程。經(jīng)過(guò)一個(gè)多月的航行，8 月23 日，“月船3 號(hào)”的“維克拉姆”著陸器成功著陸月球南極地區(qū)，開(kāi)啟了人類月球極地探測(cè)新篇章，也標(biāo)志著印度在蘇、美、中后成為第四個(gè)成功實(shí)現(xiàn)月球軟著陸的國(guó)家。

奔月之旅

由于印度LVM3 火箭（原名GSLV Mk.3）運(yùn)載能力有限，無(wú)法將3.9噸的組合體送入直接奔月的轉(zhuǎn)移軌道，同時(shí)對(duì)直接飛往月球的入軌精度和窗口無(wú)法保證，因此“月船3 號(hào)”仍然使用類似“月船2 號(hào)”的奔月飛行方案，即由運(yùn)載火箭將探測(cè)器組合體送入大橢圓繞地軌道，探測(cè)器在此軌道上通過(guò)5 次機(jī)動(dòng)抬升進(jìn)入奔月軌道。

“月船3 號(hào)”的初始軌道是一條11 小時(shí)軌道，計(jì)劃軌道為近地點(diǎn)170千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)36500 千米。這已經(jīng)達(dá)到了LVM3 運(yùn)載火箭的運(yùn)力極限。雖然在發(fā)射后北美防空聯(lián)合司令部的測(cè)軌數(shù)據(jù)中給出了“月船3 號(hào)”僅進(jìn)入了近地點(diǎn)138 千米的繞地軌道，并且被廣泛報(bào)道，但有極大概率該數(shù)據(jù)是因?yàn)槊绹?guó)太空軍的空間態(tài)勢(shì)感知雷達(dá)衛(wèi)星——“太空籬笆”測(cè)量精度問(wèn)題，或者是探測(cè)器在兩次經(jīng)過(guò)“太空籬笆”時(shí)軌道發(fā)生變動(dòng)導(dǎo)致的測(cè)量偏差。考慮到印度的發(fā)射直播中，LVM3 火箭表現(xiàn)完美，性能符合預(yù)期曲線，并且在關(guān)機(jī)前探測(cè)器已經(jīng)達(dá)到169.7 千米高度，可以認(rèn)為“月船3 號(hào)”準(zhǔn)確進(jìn)入了預(yù)定軌道，并不存在所謂的“入軌偏差過(guò)大，導(dǎo)致需要額外消耗燃料提升軌道”的意外。

經(jīng)過(guò)1 次奔月機(jī)動(dòng)和1 次抬升機(jī)動(dòng)后，“月船3 號(hào)”進(jìn)入12 小時(shí)軌道，隨后通過(guò)第二和第三次奔月機(jī)動(dòng)進(jìn)入16 小時(shí)軌道和24 小時(shí)軌道。抬升機(jī)動(dòng)將“月船3 號(hào)”近地點(diǎn)從173 千米提升至226 千米，以避免航天器在過(guò)低的近地點(diǎn)遇到大氣阻力。

不同于“嫦娥一號(hào)”在奔月中采用的600 千米近地點(diǎn)，“月船3 號(hào)”和它的前輩“月船2 號(hào)”因?yàn)槿剂嫌邢?，需要盡可能降低機(jī)動(dòng)高度以提升點(diǎn)火效率，因此這幾次提升遠(yuǎn)地點(diǎn)的點(diǎn)火高度不超過(guò)300 千米，通過(guò)調(diào)整軌道周期和近地點(diǎn)的位置，使“月船3 號(hào)”的升軌點(diǎn)火弧段位于印度本土上空，以滿足航天器本土測(cè)控的需求。

同時(shí)，這種低近地點(diǎn)的大橢圓軌道升軌還存在著額外的風(fēng)險(xiǎn)。由于最后幾圈軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)達(dá)到數(shù)萬(wàn)至十幾萬(wàn)千米，航天器在大橢圓軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)附近會(huì)受到來(lái)自月球和太陽(yáng)的引力攝動(dòng)，存在直接再入的風(fēng)險(xiǎn)，因此印度租借了美國(guó)和歐洲的深空測(cè)控網(wǎng)以對(duì)航天器每一圈軌跡進(jìn)行測(cè)定，避免其因?yàn)橐z動(dòng)而使昂貴的、寄托著印度希望的探測(cè)器在印度洋上化作一道流星。第四次奔月機(jī)動(dòng)后探測(cè)器進(jìn)入48 小時(shí)軌道，而最后一次奔月機(jī)動(dòng)使得“月船3 號(hào)”繞地軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)達(dá)到40萬(wàn)千米，探測(cè)器正式踏上奔月之旅。

2023 年8 月23 日20 點(diǎn)13 分51 秒，月船3 號(hào)著陸器開(kāi)始動(dòng)力下降。按照預(yù)定的4 階段進(jìn)行，動(dòng)力下降階段一切正常，月船3 號(hào)著陸器最終在20:33 成功著陸至月球南緯69.36968°、東經(jīng)32.33307°的預(yù)定著陸點(diǎn)附近，隨后巡視器正常部署，代表著印度成功實(shí)現(xiàn)了月球軟著陸，成為了全世界第四個(gè)將探測(cè)器送上月面的國(guó)家。

科學(xué)目標(biāo)

“月船3 號(hào)”的計(jì)劃著陸點(diǎn)位于月球南極南緯69.367°、東經(jīng)32.3°附近的高地上。該地區(qū)也曾是“月船2 號(hào)”的計(jì)劃著陸點(diǎn)。值得注意的是，目前對(duì)于“月球南極”的稱呼仍然采用地球上的標(biāo)準(zhǔn)，即南緯66°34’以南區(qū)域，但實(shí)際上能夠擁有極晝的月球南極緯度高達(dá)86°以上，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)“月船3 號(hào)不能算抵達(dá)了極圈。但目前并未對(duì)此定義加以界定。

“月船3 號(hào)”著陸器配置3 臺(tái)科學(xué)儀器：錢德拉月球表面熱物理實(shí)驗(yàn)（ChaSTE），月球地震活動(dòng)探測(cè)器（ILSA），朗繆爾探測(cè)器（LP）。其中ChaSTE 用于測(cè)量月球表面的熱導(dǎo)率和溫度，獲得該地區(qū)月壤的基本物理性質(zhì)；ILSA 將測(cè)量月球的地震活動(dòng)；LP 將探測(cè)月球表面附近等離子體密度的變化。這3 臺(tái)儀器也安裝在了“月船2 號(hào)”上。由于“月船3 號(hào)”著陸器上沒(méi)有攜帶用于渡過(guò)月夜的放射性同位素加熱裝置，“月船3 號(hào)”著陸器的設(shè)計(jì)壽命不大于14 個(gè)地球日。

▲ 智慧號(hào)小型月球巡視器

“月船3 號(hào)”著陸器及巡視器

“月船3 號(hào)”著陸器上攜帶的小型巡視器“智慧號(hào)”（Pyagram）也繼承了其搭載在“月船2 號(hào)”上的前輩的命名。該小型巡視器發(fā)射質(zhì)量為26 千克，采用6 輪設(shè)計(jì)，行進(jìn)速度最大為1 厘米/秒。由于著陸器不具備直接對(duì)地通信能力，只能在距離著陸器500 米范圍內(nèi)運(yùn)行，于是印度空間研究組織計(jì)劃讓“智慧號(hào)”在其短短14 個(gè)地球日的壽命中運(yùn)行500 米，通過(guò)一對(duì)擁有100 萬(wàn)像素的單色攝像頭實(shí)現(xiàn)巡視器周圍地形的3D 成像。巡視器計(jì)劃開(kāi)展一系列科學(xué)探測(cè)。該巡視器配置有一臺(tái)小型鉆機(jī)和2 臺(tái)科學(xué)儀器：阿爾法粒子X(jué) 射線光譜儀(APXS)和激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀(LIBS)。APXS將測(cè)量月球表面的化學(xué)成分并推斷礦物成分，LIBS 將測(cè)定月球著陸點(diǎn)周圍月球土壤和巖石的元素成分，這個(gè)配置也和“月船2 號(hào)”上的巡視器相同。印度空間研究組織希望新的巡視器探測(cè)的數(shù)據(jù)可以獲得月球表面的組成、證明月球土壤中存在水冰、描繪月球撞擊的歷史和月球大氣層的演變。

▲ 月船3 號(hào)的小型月球巡視器

▲ “月船3 號(hào)”的3 個(gè)部分

▲ 維克拉姆著陸器在月球表面模擬圖

進(jìn)步與取舍

在4 年前的2019 年9 月6 日，承載著印度登月夢(mèng)想的“月船2 號(hào)”（CHANDRAYAAN-2）著陸器“維克拉姆”在動(dòng)力下降過(guò)程中因?yàn)轱w控軟件故障導(dǎo)致夢(mèng)碎月球?！熬S克拉姆”著陸的第一階段依靠慣性導(dǎo)航組件進(jìn)行盲降，4 臺(tái)著陸發(fā)動(dòng)機(jī)全推力運(yùn)行后進(jìn)入第二階段，打開(kāi)全部測(cè)量?jī)x器測(cè)量盲降后的著陸器軌跡參數(shù)，結(jié)果工作人員發(fā)現(xiàn)盲降階段減速程度高于預(yù)期，著陸器的軌跡無(wú)法滿足下一階段著陸要求，飛控故障導(dǎo)致維克拉姆著陸器失去控制，以58 米/秒的速度墜落于月球南極高地。美國(guó)月球勘測(cè)軌道器的圖像表明，著陸器的墜落地點(diǎn)距離預(yù)計(jì)著陸點(diǎn)僅差600 米。

“維克拉姆”墜落后，印度先是宣布其成功著陸，在多普勒測(cè)速數(shù)據(jù)放出后又宣布“維克拉姆”雖然著地速度過(guò)高，但著陸器仍然保持完整，有信號(hào)發(fā)出，聲稱軌道器已經(jīng)與著陸器建立了聯(lián)系，并且獲得了圖像。9月17 日，美國(guó)月球勘測(cè)軌道器飛越著陸區(qū)，發(fā)現(xiàn)了維克拉姆著陸器爆炸后的痕跡，一些碎片被崩到了2.4千米外，證明該著陸器在毀滅性的地面沖撞中被徹底摧毀。此后，印度又宣稱該任務(wù)“成功了99%”，甚至宣稱自己在2008 年發(fā)射的“月船1 號(hào)”撞擊器先于中國(guó)抵達(dá)月球，稱自己為“第三個(gè)抵達(dá)月球表面的國(guó)家”。

事實(shí)上印度人自己也清楚，“維克拉姆”并沒(méi)有起到任何作為一個(gè)月球著陸器的作用，它的科學(xué)儀器沒(méi)有產(chǎn)出一個(gè)比特的月球表面數(shù)據(jù)。因此在嘴炮之外，他們也開(kāi)始建造第二個(gè)登月航天器，這就是“月船3 號(hào)”。

▲ 控制大廳的工作人員

“月船3 號(hào)”項(xiàng)目于2019 年12月啟動(dòng)，獲得了最初的940 萬(wàn)美元資金，但隨后受新冠疫情影響，其開(kāi)發(fā)受到了巨大阻礙。印度空間研究組織認(rèn)為該任務(wù)的開(kāi)發(fā)將耗資9000 萬(wàn)美元。由于“月船2 號(hào)”的軌道器攜帶了大量科學(xué)載荷，并且壽命大幅延長(zhǎng)，得以繼續(xù)在月球軌道上開(kāi)展科學(xué)探測(cè)，因此“月船3 號(hào)”的軌道器取消了幾乎所有的科學(xué)儀器。該軌道器仍然基于I-2K 平臺(tái)建造，配置可提供758瓦功率的太陽(yáng)能帆板，使用一臺(tái)440牛雙組元推進(jìn)器。

“月船3 號(hào)”的軌道器負(fù)責(zé)月球轉(zhuǎn)移軌道提升、月球軌道轉(zhuǎn)移和近月制動(dòng)，在抵達(dá)100 千米環(huán)月軌道后與著陸器分離，接下來(lái)負(fù)責(zé)和著陸器進(jìn)行通信中繼，并且運(yùn)行唯一的科學(xué)儀器“宜居行星地球光譜偏振測(cè)量”(SHAPE)用于觀測(cè)地球。該儀器從月球軌道在近紅外1-1.7μm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)地球進(jìn)行光譜和偏振測(cè)量，設(shè)計(jì)壽命僅為3～6 個(gè)月。

“月船3 號(hào)”的著陸器仍然被命名為“維克拉姆”。與“月船2 號(hào)”相比，“月船3 號(hào)”著陸器質(zhì)量大幅增加，從1471 千克提升到了1752 千克，加注了更多的推進(jìn)劑。推進(jìn)劑質(zhì)量的提升增加了不少裕度，為著陸器動(dòng)力下降期間提供更多的容錯(cuò)空間。同時(shí)原計(jì)劃的5 臺(tái)800 牛著陸發(fā)動(dòng)機(jī)中，中心的著陸發(fā)動(dòng)機(jī)被取消。

印度空間研究組織主席在訪談中稱該發(fā)動(dòng)機(jī)的作用之一是吹除著陸點(diǎn)的月塵，但“月船3 號(hào)”著陸器被要求以著陸為優(yōu)先，因此改進(jìn)了著陸器，使其可以容忍這一問(wèn)題。同時(shí)印度空間研究組織也做了取消中心發(fā)動(dòng)機(jī)的著陸測(cè)試，結(jié)論是使用4 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)也足以實(shí)施月球軟著陸。有一些消息指出印度為該發(fā)動(dòng)機(jī)配置了 40%～100%的四檔階梯式變推力模式，但是另一則文獻(xiàn)指出，該著陸發(fā)動(dòng)機(jī)只能提供額定推力的80%節(jié)流推力，因此“月船 3 號(hào)” 著陸器仍然需要通過(guò)一系列著陸發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)關(guān)來(lái)減緩下降速度，而不是以類似“嫦娥三號(hào)”那樣的單臺(tái)連續(xù)深度變推力發(fā)動(dòng)機(jī)著陸方案。

針對(duì)上次出現(xiàn)的故障，印度原計(jì)劃在“月船2 號(hào)”上配置進(jìn)口激光多普勒測(cè)速儀，但是因?yàn)閷?duì)印度的出口限制，未能買到而作罷，只使用了精度較低的微波多普勒測(cè)速儀。在“月船3 號(hào)”任務(wù)中印度在著陸器上配置了國(guó)產(chǎn)的激光多普勒測(cè)速儀，并且增加了額外的攝像頭以監(jiān)控著陸器狀態(tài)。

▲ 著陸器正在微波暗室中測(cè)試巡視器分離

▲ 測(cè)試中的“月船3 號(hào)”

“月船3 號(hào)”著陸包括4 個(gè)階段，和“月船2 號(hào)”的時(shí)序相似。動(dòng)力下降的第一階段被稱為“粗略減速階段”，著陸器在T+0 秒、高度30 千米、距離著陸點(diǎn)745.5 千米時(shí)打開(kāi)全部4 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始動(dòng)力下降，此時(shí)水平速度為1.68 千米/秒?！按致詼p速階段”持續(xù)690 秒，在此階段著陸器航行713.5 千米。“粗略減速階段”結(jié)束時(shí)著陸器高度7.4 千米，水平速度為358 米/秒，垂直速度61 米/秒。著陸器進(jìn)入長(zhǎng)10 秒的“姿態(tài)維持階段”，打開(kāi)激光和微波測(cè)速測(cè)距儀開(kāi)始測(cè)量著陸器姿態(tài)。在該階段結(jié)束時(shí)著陸器高度6.8 千米、水平速度338 米/秒、垂直速度59 米/秒、距離著陸點(diǎn)28.52千米。隨后進(jìn)入“精細(xì)減速階段”，該階段持續(xù)195 秒，結(jié)束時(shí)著陸器速度減為零。隨后進(jìn)入“最終著陸階段”。此時(shí)著陸器距離月球表面高度1000 米并且懸停12 秒，隨后開(kāi)始低速下降并且掃描著陸點(diǎn)。1038 秒時(shí)著陸器下降至150 米高度時(shí)繼續(xù)懸停22 秒，掃描著陸區(qū)并且判斷著陸點(diǎn)是否滿足，如果滿足的話著陸器就會(huì)繼續(xù)下降，在動(dòng)力下降開(kāi)始后第1122～1180 秒著陸在月表。如果不滿足，著陸器會(huì)重新選擇一個(gè)著陸點(diǎn)并且橫向移動(dòng)150秒，在動(dòng)力下降開(kāi)始后1171 秒著陸。

在“月船3 號(hào)”的著陸流程中，雖然有人認(rèn)為沒(méi)必要在動(dòng)力下降階段安排一個(gè)盲降段，但對(duì)于月球南極復(fù)雜的地形來(lái)說(shuō)，在長(zhǎng)距離動(dòng)力下降過(guò)程中測(cè)速測(cè)高設(shè)備可能會(huì)因?yàn)榈匦巫儎?dòng)導(dǎo)致極其離譜的數(shù)據(jù)跳變，如果程序有缺陷或者濾波沒(méi)做好可能會(huì)導(dǎo)致程序故障，引發(fā)任務(wù)失敗，如今年4月著陸失敗的日本的“白兔-R”。

而“月船3 號(hào)”的改進(jìn)方向并不在于如何解決盲降階段測(cè)量精度的問(wèn)題，而是變成了如何在導(dǎo)航或測(cè)量出現(xiàn)問(wèn)題的情況下著陸。因此對(duì)“月船3號(hào)”著陸器的著陸腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加強(qiáng)，同時(shí)增加了著陸器太陽(yáng)翼的面積和測(cè)控天線的數(shù)量，并且增強(qiáng)了著陸器通信天線和月球車的電量，以保證探測(cè)器即使遇到計(jì)劃外的著陸地貌也能完成數(shù)據(jù)下傳。印度空間研究組織還在“月船3 號(hào)”的導(dǎo)航程序中嵌入了盲降程序，該程序可以在動(dòng)力下降階段出現(xiàn)非致命故障時(shí)放棄原定著陸點(diǎn)進(jìn)行盲降?？偠灾?，“月船3 號(hào)”任務(wù)以著陸月球?yàn)榈谝灰x，并且針對(duì)該目標(biāo)增加了大量?jī)?nèi)容，力保月球著陸不容有失。

“月船3 號(hào)”的成功對(duì)于印度航天來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的里程碑。一方面，它的成功為未來(lái)月球南極復(fù)雜地區(qū)多發(fā)并聯(lián)著陸制導(dǎo)算法提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，為以后在更遠(yuǎn)月球極地地區(qū)著陸提供了解決方案。另一方面，鑒于未來(lái)日印合作月球極地探測(cè)任務(wù)也使用了多發(fā)并聯(lián)著陸技術(shù)，基于此項(xiàng)技術(shù)的擴(kuò)展可以用于更大的月球著陸器，乃至火星著陸任務(wù)。