李虹琳(中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院)
印度2008年首次成功發(fā)射月船-1后,著手實(shí)施月船-2月球探測(cè)任務(wù),現(xiàn)計(jì)劃于2017年前后發(fā)射月船-2探測(cè)器。月船-2由軌道器、著陸器和月面巡視器組成,由印度獨(dú)立研發(fā)、印度空間研究組織(ISRO)負(fù)責(zé)管理,將采用印度地球靜止軌道衛(wèi)星運(yùn)載火箭(GSLV)發(fā)射。月船-2探測(cè)任務(wù)為期2年,預(yù)計(jì)成本約9000萬(wàn)美元。
印度在實(shí)施月船-1月球探測(cè)任務(wù)的同時(shí),已著手開展月船-2任務(wù)。2007年11月12日,印度空間研究組織與俄羅斯聯(lián)邦航天局簽署了共同開發(fā)月船-2任務(wù)的協(xié)議;2008年9月18日,印度政府批準(zhǔn)了該項(xiàng)月球探測(cè)任務(wù)。按照該任務(wù)原定計(jì)劃,印度空間研究組織提供運(yùn)載火箭、軌道器和月面巡視器,俄羅斯聯(lián)邦航天局提供著陸器,2013年完成探測(cè)器的研制和發(fā)射。
在月船-2任務(wù)實(shí)施期間,由于俄羅斯未能按時(shí)研發(fā)著陸器,使該任務(wù)不斷推遲。2012年,俄羅斯宣布“火衛(wèi)一-土壤”火星探測(cè)任務(wù)失敗,由于月船-2的著陸器采用了“火衛(wèi)一-土壤”探測(cè)器的部分技術(shù),因而俄羅斯聯(lián)邦航天局重新評(píng)估用于月船-2著陸器的相關(guān)技術(shù),并向印方提議修改技術(shù)方案以提高著陸器硬件的可靠性。修改方案將導(dǎo)致著陸器質(zhì)量增加,迫使印度空間研究組織在保證可靠性的前提下降低巡視器質(zhì)量,這一提議使月船-2任務(wù)的技術(shù)方案變動(dòng)較大,印度未接受俄方提議。
2012年5月,印度對(duì)自主研制月球著陸器開展了可行性研究,所得結(jié)論認(rèn)為印度能夠利用2~3年時(shí)間開發(fā)出月球著陸器,隨后印度空間研究組織對(duì)月船-2任務(wù)進(jìn)行了綜合評(píng)審。2013年8月14日,印度宣布停止與俄羅斯聯(lián)邦航天局原定的合作,確定自主完成第二次月球探測(cè)任務(wù)。
月船-2工程目標(biāo)是驗(yàn)證月面軟著陸能力及相關(guān)技術(shù)。月船-2科學(xué)目標(biāo)是分析月球的起源和演變;通過(guò)分析月球土壤/巖石了解月球的化學(xué)組成;分析月球大氣組成等。
月船-2探測(cè)器發(fā)射質(zhì)量2650kg。探測(cè)器由軌道器艙和攜帶巡視器的著陸器艙兩部分組成,兩個(gè)艙段通過(guò)一個(gè)隱藏的艙段適配器進(jìn)行機(jī)械連接。
月船-2軌道器的基本結(jié)構(gòu)與月船-1相似。軌道器是1.5m×1.5m×1.5m的立方體,發(fā)射質(zhì)量約1400kg,設(shè)計(jì)壽命2年,攜帶5臺(tái)科學(xué)有效載荷,其中3臺(tái)是新研制的設(shè)備,另外2臺(tái)是月船-1有效載荷的改進(jìn)型。與月船-1相比,月船-2增強(qiáng)了電子器件抗輻射加固和熱控系統(tǒng)的性能。

月船-2軌道器構(gòu)形示意圖
(1)著陸器
月船-2著陸器和巡視器質(zhì)量共約1250kg。最初,月船-2著陸器是由俄羅斯與印度聯(lián)合開發(fā)。當(dāng)俄羅斯表示即使推遲到2015年也無(wú)力提供著陸器時(shí),印度決定獨(dú)立開發(fā)著陸器。著陸器的設(shè)計(jì)和初步構(gòu)型研究已經(jīng)由印度空間研究組織的空間應(yīng)用中心(SAC)完成。著陸器將攜帶一套儀器用于研究著陸點(diǎn)的月球表面物質(zhì)的物理和化學(xué)特性。它既可以直接與地面站通信,也可通過(guò)軌道器與地面站通信,同時(shí)充當(dāng)巡視器的通信“樞紐”。
(2)巡視器
印度尚未公布巡視器的最后方案。月船-2巡視器質(zhì)量可能在30~100kg之間(質(zhì)量大小取決著陸方式等多項(xiàng)因素),設(shè)計(jì)壽命1個(gè)月,具有半自主導(dǎo)航和避障能力,由太陽(yáng)能電池板提供電能,可對(duì)月壤或月巖樣品進(jìn)行原位化學(xué)分析,然后將分析數(shù)據(jù)傳送給軌道器,軌道器再將數(shù)據(jù)傳送給地面站。
為確保巡視器安全移動(dòng)和避障,月船-2巡視器將裝備行走系統(tǒng)、導(dǎo)航相機(jī)和控制系統(tǒng)等設(shè)備。巡視器裝有6個(gè)輪子,每個(gè)輪子均由獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng),其中4個(gè)輪子具有獨(dú)立轉(zhuǎn)向能力,共有10個(gè)電機(jī)用于牽引和轉(zhuǎn)向。巡視器在月面的移動(dòng)控制由“動(dòng)態(tài)牽引力控制系統(tǒng)”負(fù)責(zé),該系統(tǒng)通過(guò)控制巡視器4個(gè)輪子的獨(dú)立轉(zhuǎn)向裝置,確保巡視器能夠越過(guò)粗糙的月球面表;巡視器裝有多臺(tái)基于3D成像的立體相機(jī),用于為地面團(tuán)隊(duì)提供控制巡視器移動(dòng)所需的周圍地表3D圖像。目前,位于坎普爾的印度技術(shù)學(xué)院(IIT)正在為巡視器開發(fā)用于移動(dòng)的子系統(tǒng)。
月船-2攜帶的科學(xué)有效載荷由印度空間科學(xué)咨詢委員會(huì)主席、印度空間研究組織前主任U?R?拉奧領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)家專家委員會(huì)確定,該委員會(huì)成員來(lái)自隸屬印度空間研究組織的研究中心,印度的科學(xué)研究機(jī)構(gòu)和研發(fā)實(shí)驗(yàn)室。
(1)軌道器攜帶的有效載荷
月船-2軌道器將運(yùn)行在200km高的環(huán)月軌道,攜帶的有效載荷主要用于探測(cè)月球表面的形態(tài)、礦物質(zhì)及其化學(xué)特性、存在水冰的證據(jù)以及月球大氣成份等。攜帶的5個(gè)有效載荷分別是:
地形繪圖相機(jī)(TMC-2)由印度空間研究組織空間應(yīng)用中心研制,該設(shè)備是月船-1所攜帶TMC-1的改進(jìn)型,用于繪制月表三維圖像,這對(duì)研究月球礦物質(zhì)和地質(zhì)學(xué)是必不可少的。
成像紅外分光計(jì)(IIRS)由印度空間研究組織空間應(yīng)用中心研制,用于繪制月面圖。該設(shè)備工作的光譜范圍為0.8~5.0μm,空間分辨率為80m(幅寬40km),探測(cè)數(shù)據(jù)可用于對(duì)月球陰暗面的火山、玄武巖組成、盆地和局部地區(qū)地幔的異質(zhì)性進(jìn)行研究,并探測(cè)氫氧基和水分子的標(biāo)記。

月船-2巡視器的構(gòu)型圖示意圖

中性粒子質(zhì)譜儀-2示意圖
合成孔徑雷達(dá)(SAR)由印度空間研究組織空間應(yīng)用中心研制,該設(shè)備運(yùn)行在L頻段(1.25GHz)和S頻段(2.0~2.2 GHz),可選擇2m、5m和10m分別率以及10km刈幅掃描,可采用圓形極化模式和線性偏振模式,用于探測(cè)月球亞表面層物質(zhì)及其成分,包括亞表面層的水冰。合成孔徑雷達(dá)被期望能夠提供證實(shí)月球陰影區(qū)存在水冰的證據(jù)。
中性粒子質(zhì)譜儀(NIMS)由印度空間物理實(shí)驗(yàn)室研制。中性粒子質(zhì)譜儀也稱錢德拉大氣成分探測(cè)儀-2(ChACE-2),是月船-1軌道器攜帶中性粒子質(zhì)譜儀的改進(jìn)型。該設(shè)備以四極質(zhì)譜學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)研制,工作范圍為1~300amu(原子質(zhì)量單位),功率小于30W,質(zhì)量低于4kg。主要用于研究月球稀薄大氣成分與環(huán)境,開展月球外大氣層的詳細(xì)研究。
大區(qū)域軟X射線分光計(jì)(CLASS)由印度空間研究組織的衛(wèi)星中心和物理研究實(shí)驗(yàn)室研制,采用硅漂移探測(cè)器(SDD),能量1~20kV,探測(cè)面積30mm2,功耗6W。主要用于探測(cè)月球表面的主要元素(包括鎂、鋁、硅、鈣、鈦、鐵等)及其分布情況,可提供來(lái)自月面極區(qū)標(biāo)稱空間分辨率為25km的元素豐度月脈圖。
(2)著陸器攜帶的有效載荷
目前,印度已基本確定的著陸器有效載荷包括月震儀和激光反射器。在考慮著陸器的質(zhì)量、體積和功率的限制后,再?zèng)Q定是否攜帶其他的科學(xué)有效載荷。
(3)巡視器攜帶的有效載荷
月船-2巡視器攜帶有2個(gè)科學(xué)有效載荷,用于對(duì)月表物質(zhì)進(jìn)行原位探測(cè)。
阿爾法粒子誘導(dǎo)X射線分光計(jì)(APXS):由印度物理研究實(shí)驗(yàn)室研制。該設(shè)備是用于天體元素分析的驗(yàn)證儀器,NASA的“火星探測(cè)巡視器”(MER)和“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”(MSL)曾經(jīng)采用此類設(shè)備對(duì)火星開展研究。月船-2月面巡視器攜帶的阿爾法粒子誘導(dǎo)X射線分光計(jì)由2個(gè)電子包組成,即傳感器頭部和后部電子器件,主要用于探測(cè)月表物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)。傳感器頭部的設(shè)備包括硅漂移二極管、6個(gè)阿爾法源、X射線測(cè)量裝置和安裝在巡視器機(jī)械臂上的前段電子電路等。該設(shè)備通過(guò)阿爾法粒子激發(fā)X射線和次級(jí)輻射,之后測(cè)量從樣本中發(fā)出的特性X射線,從而分析樣品的性質(zhì)。
激光誘導(dǎo)擊穿分光鏡(LIBS):由光電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室建造,該設(shè)備通過(guò)發(fā)射激光脈沖探測(cè)和分析遠(yuǎn)處的物質(zhì),如用于極地中風(fēng)化層含水量的測(cè)定。

激光誘導(dǎo)擊穿分光鏡

月船-2任務(wù)飛行方案
月船-2探測(cè)器由地球靜止軌道衛(wèi)星運(yùn)載火箭MK-2(GSLV Mk-2)送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道,隨后通過(guò)軌道器攜帶的發(fā)動(dòng)機(jī)提升軌道,最終進(jìn)入奔月軌道(LTT)。在奔月過(guò)程中,月船-2軌道器與著陸器(攜帶巡視器)分離,二者獨(dú)自向月球飛行,并分別被月球捕獲,進(jìn)入月球極軌道。軌道器最初運(yùn)行于5000km×200km的橢圓形極軌道,而著陸器攜帶巡視器下降到月球表面。著陸器實(shí)現(xiàn)月表著陸后,帶有機(jī)械臂和科學(xué)探測(cè)設(shè)備的巡視器將被釋放到月球表面。隨后,著陸器與巡視器開始工作,而軌道器將運(yùn)行于200km的圓形軌道上。
目前,印度尚未公布確切的著陸區(qū),但從科學(xué)探測(cè)角度考慮,預(yù)計(jì)著陸區(qū)將優(yōu)先考慮高緯度位置。根據(jù)美國(guó)航空航天局月球勘察軌道器(LRO)和日本“月女神”軌道器提供的數(shù)據(jù),俄羅斯為印度確定了月球南極附近的2個(gè)備選著陸區(qū)。主著陸點(diǎn):87.2°(S)、68°(E),休梅克;備用著陸點(diǎn):87.2°(S)、68°(E),格拉克。但不排除印度對(duì)著陸區(qū)進(jìn)行重新選擇。
月船-2任務(wù)將采用印度自主研制的地球靜止軌道衛(wèi)星運(yùn)載火箭Mk-2運(yùn)載火箭發(fā)射。該火箭為三級(jí)運(yùn)載火箭,高49m,起飛質(zhì)量414t,起飛推力為6573kN,有效載荷整流罩最大直徑3.4m,可將2~2.5t的衛(wèi)星送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道。火箭一級(jí)由S-125芯級(jí)固體助推器和4臺(tái)液體捆綁助推器組成;二級(jí)采用可貯存液體推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī);三級(jí)采用液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)。
2008年成功實(shí)施首次月球探測(cè)任務(wù)之后,印度提出了包括對(duì)火星、金星、小行星與彗星實(shí)施探測(cè)的航天發(fā)展規(guī)劃。2013年11月5日,印度“火星船”任務(wù)成功發(fā)射,目前正在飛往火星的途中,這使印度在深空探測(cè)領(lǐng)域又向前邁進(jìn)了一步。此次提出的月船-2探測(cè)任務(wù),以月船-1任務(wù)為基礎(chǔ),主要驗(yàn)證印度實(shí)現(xiàn)月球軟著陸的能力,為今后印度月球及其他行星探測(cè)任務(wù)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。