月船二號:印度難度最大的航天項目

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《印度時報》最近報道，印度月球探測器月船二號（Chandrayaan-2）將于2019年年初發射，它的著陸器將用印度航天之父維克拉姆（Vikram）命名，以紀念維克拉姆誕辰100周年。月船二號探測器空前復雜，是印度有史以來難度最大的航天器項目，代表了印度航天的雄心壯志。

▲ 印度月球探測器月船二號2018年的宣傳海報

▲ 印度月球探測器月船二號任務

一波三折的“月船二號”

印度第一顆月球探測器月船一號于2008年發射升空，設計壽命兩年，但由于對月球反射帶來的熱輻射考慮不足，10個月就失去聯系。“月船一號”還是取得了不少科學發現，尤其是美國提供的月球礦物繪圖儀在極區發現了水的存在。受到“月船一號”成功的鼓舞，印度積極開展月球軟著陸探測任務，也就是月船二號探測器。

月球軟著陸探測任務難度高、技術復雜，而印度無論火箭還是衛星都在主要國家中敬排末座。“月船一號”只是一顆1.38噸重的軌道器，使用PSLVXL火箭發射都要自行變軌飛向月球，“月船二號”任務對火箭要求更高，而且還要研制著陸器和月球車。印度早期決定和俄羅斯合作，“借船出海”聯合探月，俄羅斯將其稱為月球-資源項目。“月船二號”任務原定2012年發射，但“月船一號”失聯暴露的熱控問題，讓印度空間研究組織不得不完善設計，發射推遲到2012年年底，隨后又推遲到2013年，和中國的嫦娥三號探測器狹路相逢！

▲ 印度月球探測器月船二號概念圖

▲ 印度月球車

月船二號探測器將使用GSLV火箭發射，它的軌道器由印度研制，著陸器由俄羅斯拉沃契金設計局研制，月球車由印度和俄羅斯分別研制。月船二號探測器總重量將達到2457千克，其中軌道器重量1317千克（包括50千克載荷），著陸器和月球車重量1100千克(包括50千克載荷)，這次任務的主要目標之一就是去極區找水。由于預算問題，俄羅斯的月球車被取消，但探測器重量不減反增，總重量增加到2.65噸，其中軌道器1.4噸、著陸器1.25噸。另外為了避免重蹈覆轍，軌道器飛行高度提高到200公里，降低熱控壓力。

然而計劃不如變化快，先是GSLV MKIII火箭的研制進度不盡如人意，印度決定改用GSLV MKII火箭發射，更換火箭運力下降帶來探測器的調整，項目進度至少拖延六個月。2011年俄羅斯把福布斯-土壤探測器打飛了，不僅坑掉了中國的螢火一號火星探測器，也讓印度出了一身冷汗。俄羅斯研制的著陸器設計要進行徹底評審，研制進度滯后導致發射至少要推遲到2015年，印度索性甩開俄羅斯單干，獨立研制月球著陸器。不過這么一來，“月船二號”任務的發射就更遙遙無期了。

2012年印度進行了著陸器研制的可行性研究，認為印度能在2～3年內研制出一個著陸器。但印度一直存在火箭運力不足的問題，原來用GSLV MKIII火箭畫餅充饑，即使改用GSLV MKII火箭，這種火箭仍不時發射失敗。直到2014年1月5日GSLV-D5發射成功，驗證了火箭尤其是印度自行制造的氫氧發動機的可靠性，印度空間研究組織才定下2016-2017年發射月船二號探測器的計劃。“月船二號”的研制絕非一帆風順，2015年印度就調低了預期，把發射時間調整到2017-2018年，探測器總重量增加到3250千克。不過也有好消息，有了充裕的時間做好熱控和試驗，軌道器的高度又降低到100公里，另外2015年9月印度還完成了著陸器的關鍵設計評審。

“月船二號”項目的折騰還沒有結束。此后由于探測器研制進度拖延和印度火箭發射失敗等原因，發射時間推遲到2018年10月，后來發射又進一步推遲到2019年1月。有趣的是印度航天折騰了一圈，“月船二號”發射不忘初心，運載火箭又換回了GSLV MKIII火箭，

繞落巡的月船二號探測器

印度“月船二號”探測任務將一步到位實現“繞落巡”，探測器包括軌道器、著陸器和巡視器三個組成部分。2016年印度打算用GSLV MKII火箭發射時，月船二號探測器組合體先被打入一個170公里×19500公里的橢圓軌道上，然后7天時間里自行機動變軌進入地月轉移軌道，飛向月球并減速最終進入100公里高度環月軌道。現在月船二號探測器重量從3.25噸增加到3.85噸，比我國的嫦娥三號探測器還要略重，很難再用GSLV MKII火箭繼續湊合了。

雖然GSLV MKIII火箭4噸的GTO軌道運載能力不如我國的長征三號乙火箭，但發射3.85噸重的月船二號探測器還是綽綽有余的。它將把“月船二號”送入170公里×36000公里的橢圓軌道，月船二號隨后執行變軌提升遠地點，飛向月球并最終進入繞月100公里軌道。相比只能進入亞軌道的GSLV MKII火箭發射方案，得益于新型大火箭運力的提高，“月船二號”軌道設計有了很大的改善。但新一代的GSLV MKIII火箭只成功發射過一次，它會不會在印度旗艦級的“月船二號”發射任務中掉鏈子，仍是一個不小的隱患。

月船二號探測器的軌道器重量增加到2.379噸，它不僅承擔了組合體變軌的重任，還帶有5種科學載荷在100公里高度的環月軌道上進行科學研究，這些載荷分別是：

大面積軟X射線光譜儀（CLASS）和軟X射線監視儀（XSM），它通過X射線測繪月球表面物質的主要成分。

▲月船二號變軌示意圖

L波段和S波段合成孔徑雷達（SAR），它用于探測月表之下的土壤成分，尤其是極區可能存在的水冰。

紅外成像光譜儀（IIRS），它用于繪制0.8到5微米波段的大范圍月面地圖，尋找和研究月球的礦物質、水分子和羥基。

地形繪圖攝像機-2（TMC-2），它工作在0.5到0.85微米波段，用于描繪月球表面的三維地圖。

中性粒子質譜儀（ChACE-2），它用于測量和研究月球外大氣層的中性粒子。

月船二號探測器更大的看點是它的著陸器和巡視器，它們都由印度自行研制，攜帶的載荷也都是印度國產貨。維克拉姆號著陸器增重到1471千克，它使用印度自行研制的800牛變推力火箭發動機實施軟著陸，著陸時先從100公里高度圓軌道進入100公里×30公里的橢圓軌道，隨后開始軟著陸下降飛行。印度選取了月球南極區域南緯85度左右的四個候選區域，崎嶇陡峭的月面地形對軟著陸提出了很大的挑戰，“維克拉姆號”成功軟著陸的難度要比“嫦娥三號”甚至“嫦娥四號”還高。

“維克拉姆號”還裝上了月震儀（ILSA）、錢德拉月面熱物理實驗（ChaSTE）、雙波段射電頻譜儀（DFRS）和朗繆爾探針四種有效載荷。ILSA用于在著陸區探測月震，據此了解月球外殼和月幔的結構；ChaSTE用于測量月球表面的熱特征，看來印度人對“月船一號”的意外失控始終耿耿于懷；雙波段射電頻譜儀用于測量月球電離層的電子總含量（TEC）；朗繆爾探針用于測量月球表面的等離子體密度和每天的變化信息。

月船二號探測器的6輪巡視器/月球車雖然只有27千克，但除了成像器（RI）外仍攜帶了兩種不錯的科學載荷：激光誘導擊穿光譜儀（LIBS）和阿爾法粒子激發分光儀（APXS）。中國玉兔號月球車機械臂上就裝有APXS，我們對它自然并不陌生，它堪稱就地研究月球表面物質成分的“大殺器”；LIBS使用超短脈沖激光聚焦樣品表面，灼燒產生等離子體再對此進行光譜分析，確定樣品的物質成分和含量，我國第一顆火星探測器的火星車就將使用LIBS進行物質成分分析。印度“月船二號“的月球車雖然體積重量遠小于玉兔號月球車，但在科學探索領域重點突出科學載荷恰到好處，毫不夸張地說實現了事半功倍的效果。

值得一提的是，印度月球車為了適應極區太陽低傾角的特殊環境，單塊太陽能電池板設計上一直豎起來，和太陽光構成更大的夾角，從而獲得穩定的電能供應。不知道是不是玉兔號月球車的意外嚇到了印度人，印度空間研究組織宣布這輛月球車設計壽命只有14天（一個月球日），不過月球極區夜間溫度較高，這輛月球車即使活上幾個月甚至更久也不奇怪。

月船二號的發射和著陸

2019年1月左右，印度將從薩迪什·達萬航天中心使用新型GSLV MKIII火箭發射月船二號探測器，這可能是這種運載火箭的第三次或第四次發射，發射壓力巨大而且存在很大的變數。如果月船二號探測器成功發射，它的軌道轉移要比“月船一號”簡單得多，對印度空間研究組織并沒有技術上的障礙。但是，這次繞落巡一體的月球探測任務難度很大。姑且不論軌道器、著陸器和巡視器三位一體帶來的復雜性，光是南緯85度極區著陸的挑戰就是空前的。

月球極區山嶺密布，南緯85度左右靠近南極點的極區月面地形十分復雜。印度“月船二號”著陸器上安裝的微型相機，在100～20公里高度范圍識別月面環形山，對著陸過程進行導航控制；3公里到3米高度使用激光雷達（LIDAR）進行精確避障工作。即使軟著陸的軟硬件做好了地面測試等準備，但極區安全著陸還需要闖過地形識別和精確避障等一系列難關，下落過程中導航制導控制系統還要控制著陸器避開環形山的遮擋，在崎嶇不平的月面找到一塊盡可能平整的區域著陸，始終存在很大的風險。盡管有著這樣那樣的風險，但月球極區是月球科考的熱點，而“月船二號”將是第一個軟著陸極區的探測器。如果南極軟著陸成功，潛在的科學收益也是空前的。