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文/张雪松

Space Exploration - - 第一页 - 责任编辑:夏丹

月船二号:印度难度最大的航天项目

《印度时报》最近报道,印度月球探测器月船二号(Chandrayaan-2)将于 2019年年初发射,它的着陆器将用印度航天之父维克拉姆(Vikram)命名,以纪念维克拉姆诞辰100 周年。月船二号探测器空前复杂,是印度有史以来难度最大的航天器项目,代表了印度航天的雄心壮志。

一波三折的“月船二号”

印度第一颗月球探测器月船一号于 2008年发射升空,设计寿命两年,但由于对月球反射带来的热辐射考虑不足,10个月就失去联系。“月船一号”还是取得了不少科学发现,尤其是美国提供的月球矿物绘图仪在极区发现了水的存在。受到“月船一号”成功的鼓舞,印度积极开展月球软着陆探测任务,也就是月船二号探测器。

月球软着陆探测任务难度高、技术复杂,而印度无论火箭还是卫星都在主要国家中敬排末座。“月船一号”只是一颗 1.38吨重的轨道器,使用PSLVXL火箭发射都要自行变轨飞向月球, “月船二号”任务对火箭要求更高,而且还要研制着陆器和月球车。印度早期决定和俄罗斯合作,“借船出海”联合探月,俄罗斯将其称为月球-资源项目。“月船二号”任务原定2012 年发射,但“月船一号”失联暴露的热控问题,让印度空间研究组织不得不完善设计,发射推迟到2012年年底,随后又推迟

到 2013年,和中国的嫦娥三号探测器狭路相逢!

月船二号探测器将使用GSLV 火箭发射,它的轨道器由印度研制,着陆器由俄罗斯拉沃契金设计局研制,月球车由印度和俄罗斯分别研制。月船二号探测器总重量将达到2457千克,其中轨道器重量 1317 千克(包括50 千克载荷),着陆器和月球车重量1100 千克 (包括50千克载荷),这次任务的主要目标之一就是去极区找水。由于预算问题,俄罗斯的月球车被取消,但探测器重量不减反增,总重量增加到2.65吨,其中轨道器1.4吨、着陆器1.25吨。另外为了避免重蹈覆辙,轨道器飞行高度提高到200公里,降低热控压力。

然而计划不如变化快,先是GSLV MKIII火箭的研制进度不尽如人意,印度决定改用GSLV MKII 火箭发射,更换火箭运力下降带来探测器的调整,项目进度至少拖延六个月。2011年俄罗斯把福布斯-土壤探测器打飞了,不仅坑掉了中国的萤火一号火星探测器,也让印度出了一身冷汗。俄罗斯研制的着陆器设计要进行彻底评审,研制进度滞后导致发射至少要推迟到2015 年,印度索性甩开俄罗斯单干,独立研制月球着陆器。不过这么一来,“月船二号”任务的发射就更遥遥无期了。

2012年印度进行了着陆器研制的可行性研究,认为印度能在2 ~ 3 年 内研制出一个着陆器。但印度一直存在火箭运力不足的问题,原来用GSLV MKIII火箭画饼充饥,即使改用GSLV MKII火箭,这种火箭仍不时发射失败。直到 2014年1 月 5 日 GSLV-D5 发射成功,验证了火箭尤其是印度自行制造的氢氧发动机的可靠性,印度空间研究组织才定下 2016-2017 年发射月船二号探测器的计划。“月船二号”的研制绝非一帆风顺,2015年印度就调低了预期,把发射时间调整到 2017-2018年,探测器总重量增加到3250 千克。不过也有好消息,有了充裕的时间做好热控和试验,轨道器的高度又降低到100公里,另外2015 年 9月印度还完成了着陆器的关键设计评审。

“月船二号”项目的折腾还没有结束。此后由于探测器研制进度拖延和印度火箭发射失败等原因,发射时间推迟到 2018 年 10月,后来发射又进一步推迟到2019 年 1月。有趣的是印度航天折腾了一圈,“月船二号”发射不忘初心,运载火箭又换回了GSLV MKIII 火箭,

绕落巡的月船二号探测器

印度“月船二号”探测任务将一步到位实现“绕落巡”,探测器包括轨道器、着陆器和巡视器三个组成部分。2016年印度打算用GSLV MKII 火箭发 射时,月船二号探测器组合体先被打入一个 170 公里 ×19500公里的椭圆轨道上,然后7天时间里自行机动变轨进入地月转移轨道,飞向月球并减速最终进入 100公里高度环月轨道。现在月船二号探测器重量从3.25 吨增加到3.85吨,比我国的嫦娥三号探测器还要略重,很难再用GSLV MKII 火箭继续凑合了。

虽然GSLV MKIII 火箭4吨的GTO轨道运载能力不如我国的长征三号乙火箭,但发射 3.85吨重的月船二号探测器还是绰绰有余的。它将把“月船二号”送入 170 公里 ×36000公里的椭圆轨道,月船二号随后执行变轨提升远地点,飞向月球并最终进入绕月100 公里轨道。相比只能进入亚轨道的GSLV MKII火箭发射方案,得益于新型大火箭运力的提高,“月船二号”轨道设计有了很大的改善。但新一代的GSLV MKIII 火箭只成功发射过一次,它会不会在印度旗舰级的“月船二号”发射任务中掉链子,仍是一个不小的隐患。

月船二号探测器的轨道器重量增加到 2.379吨,它不仅承担了组合体变轨的重任,还带有5种科学载荷在100公里高度的环月轨道上进行科学研究,这些载荷分别是:

大面积软X射线光谱仪(CLASS)和软X射线监视仪(XSM),它通过X射线测绘月球表面物质的主要成分。

L波段和S波段合成孔径雷达(SAR),它用于探测月表之下的土壤成分,尤其是极区可能存在的水冰。

红外成像光谱仪(IIRS),它用于绘制 0.8 到5微米波段的大范围月面地图,寻找和研究月球的矿物质、水分子和羟基。

地形绘图摄像机-2(TMC-2),它工作在 0.5 到 0.85 微米波段,用于描绘月球表面的三维地图。

中性粒子质谱仪(CHACE-2),它用于测量和研究月球外大气层的中性粒子。

月船二号探测器更大的看点是它的着陆器和巡视器,它们都由印度自行研制,携带的载荷也都是印度国产货。维克拉姆号着陆器增重到1471 千克,它使用印度自行研制的800 牛变推力火箭发动机实施软着陆,着陆时先从 100公里高度圆轨道进入100 公里×30公里的椭圆轨道,随后开始软着陆下降飞行。印度选取了月球南极区域南纬 85度左右的四个候选区域,崎岖陡峭的月面地形对软着陆提出了很大的挑战,“维克拉姆号”成功软着陆的难度要比“嫦娥三号”甚至“嫦娥四号”还高。

“维克拉姆号”还装上了月震仪(ILSA)、钱德拉月面热物理实验 (CHASTE)、双波段射电频谱仪(DFRS)和朗缪尔探针四种有效载荷。ILSA用于在着陆区探测月震,据此了解月球外壳和月幔的结构;CHASTE用于测量月球表面的热特征,看来印度人对“月船一号”的意外失控始终耿耿于怀;双波段射电频谱仪用于测量月球电离层的电子总含量(TEC);朗缪尔探针用于测量月球表面的等离子体密度和每天的变化信息。

月船二号探测器的6轮巡视器/ 月球车虽然只有27千克,但除了成像器(RI)外仍携带了两种不错的科学载荷:激光诱导击穿光谱仪(LIBS)和阿尔法粒子激发分光仪(APXS)。中国玉兔号月球车机械臂上就装有APXS,我们对它自然并不陌生,它堪称就地研究月球表面物质成分的“大杀器”;LIBS使用超短脉冲激光聚焦样品表面,灼烧产生等离子体再对此进行光谱分析,确定样品的物质成分和含量,我国第一颗火星探测器的火星车就将使用LIBS 进行物质成分分析。印度“月船二号“的月球车虽然体积重量远小于玉兔号月球车,但在科学探索领域重点突出科学载荷恰到好处,毫不夸张地说实现了事半功倍的效果。

值得一提的是,印度月球车为了适应极区太阳低倾角的特殊环境,单块 太阳能电池板设计上一直竖起来,和太阳光构成更大的夹角,从而获得稳定的电能供应。不知道是不是玉兔号月球车的意外吓到了印度人,印度空间研究组织宣布这辆月球车设计寿命只有14 天(一个月球日),不过月球极区夜间温度较高,这辆月球车即使活上几个月甚至更久也不奇怪。

月船二号的发射和着陆

2019年1月左右,印度将从萨迪什·达万航天中心使用新型GSLV MKIII火箭发射月船二号探测器,这可能是这种运载火箭的第三次或第四次发射,发射压力巨大而且存在很大的变数。如果月船二号探测器成功发射,它的轨道转移要比“月船一号”简单得多,对印度空间研究组织并没有技术上的障碍。但是,这次绕落巡一体的月球探测任务难度很大。姑且不论轨道器、着陆器和巡视器三位一体带来的复杂性,光是南纬85度极区着陆的挑战就是空前的。

月球极区山岭密布,南纬85 度左右靠近南极点的极区月面地形十分复杂。印度“月船二号”着陆器上安装的微型相机,在100 ~ 20公里高度范围识别月面环形山,对着陆过程进行导航控制;3公里到3米高度使用激光雷达(LIDAR)进行精确避障工作。即使软着陆的软硬件做好了地面测试等准备,但极区安全着陆还需要闯过地形识别和精确避障等一系列难关,下落过程中导航制导控制系统还要控制着陆器避开环形山的遮挡,在崎岖不平的月面找到一块尽可能平整的区域着陆,始终存在很大的风险。尽管有着这样那样的风险,但月球极区是月球科考的热点,而“月船二号”将是第一个软着陆极区的探测器。如果南极软着陆成功,潜在的科学收益也是空前的。★

·“月船二号”是月球探索计划中的第二步·“月船二号”包括国产轨道器,着陆器和月球车 ▲ 印度月球探测器月船二号任务

▲印度月球探测器月船二号2018 年的宣传海报

▲ 印度月球车

着陆器 轨道器 ▲ 印度月球探测器月船二号概念图

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