印度將于2017年執(zhí)行第二次月球任務(wù)

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。

1 任務(wù)背景和目標(biāo)

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。

2 探測(cè)器介紹

探測(cè)器平臺(tái)

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)。

有效載荷

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

3 任務(wù)飛行方案和著陸區(qū)選擇

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。

著陸區(qū)選擇

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。

4 運(yùn)載火箭

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)。

5 結(jié)語(yǔ)

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)。