印度月船二號航天器順利升空一文讀懂印度登月計劃野心
當地時間2019年7月22日,印度從位於斯里哈里科塔島的達萬(Satish Dhawan)航天中心發射一枚GSLV Mk III火箭,搭載月船二號航天器升空,標誌著發射屢次被推遲的月船二號終於踏上奔月征程。這也意味著印度可能成為繼中國、美國和俄羅斯之後第四個航天器成功登陸月球的國家。
發射屢次被推遲
最初,月船二號發射時間預計為2017年左右。
2018年2月16日,印度空間研究組織宣布,將在4月發射月船二號探測器。
3月2日,印度又以此次任務還沒準備就緒,4月發射太倉促,還有很多事情要處理為由,推遲發射。
4月18日,印度空間研究組織宣布,月船二號定於下半年發射。
5月22日,月船二號因需要進行更多的發射前測試,發射時間被推遲至2018年10月至11月。
後月船二號發射時間因故被推遲至2019年3-4月份。4月11日,以色列“創世紀”號探測器在月球表面墜毀。這一背景下,月船二號發射時間又被推遲到7月份。
當地時間2019年7月15日,月船二號航天器在火箭上準備發射。印度空間研究組織消息稱,由於技術原因,原定於15日凌晨發射的月船二號月球探測器延期發射。後來有消息稱造成發射推遲的原因是氦洩露。印度空間研究組織稱發射時間將推遲到7月22日。
月船二號最初由印度、俄羅斯聯合開發
月船二號
2007年11月12日,俄羅斯聯邦航天局和印度空間研究組織簽署一項協議,兩家機構共同開展月船二號項目。印度空間研究組織負責其中的軌道飛行器和月球車系統,俄羅斯聯邦航天局則負責著陸器系統。月船二號的設計工作於2009年8月完成。
由於俄羅斯聯邦航天局無法按時開發著陸器系統,月船二號項目實施時間由2013年1月推遲到2016年。之後俄羅斯聯邦航天局因“福布斯-土壤”項目的失敗而退出月船二號項目。
在一次測試中,著陸器的兩個腿受到輕微損壞。
月船二號將對月球展開多種形式探索
目標
月船二號飛船的主要目標,是展示在月球表面軟著陸,並在月球表面操縱月球車的能力。科學目標包括研究月球地形、礦物分佈、元素豐度、月球外大氣層,以及以羥基形式存在的水和水冰的特徵。軌道器繪製月球表面地圖,為製作月球3D地圖進行準備工作。在研究南極地區的水冰和月球表面的風化層厚度時,雷達系統也將繪製地圖。月船二號還將探測Artemis計劃(美國新的載人登月計劃)提出的未來月球基地水的分佈和充裕程度。
《科學》雜誌2018年1月刊文稱,月船二號著陸器和月球車的目標是距離月球南極約600公里的一片地區,這將是迄今為止人類航天器首次造訪月球南極正面。嫦娥四號著陸地點位於南極背面。
設計
月船二號將搭乘運載火箭GSLV Mk III從達萬航天中心起飛,質量大約為3850千克。月船二號首先將被發射到近地點170公里、遠地點40400公里的軌道。然後它將進行軌道抬高操作,進入地月轉移軌道,奔向月球。
月船二號軌道飛行器圍繞月球飛行
軌道飛行器
月船二號軌道飛行器將在100公里的高度繞月球運行。它攜帶有五種科學儀器,其中三種是全新研製的,另外兩種是在月船一號飛船儀器基礎上改進而成。軌道飛行器發射質量為2379千克。在著陸器與軌道飛行器分離之前,軌道飛行器高分辨率相機將對著陸點進行觀測。軌道飛行器預計工作時間為1年左右。
月船二號著陸器
維克拉姆著陸器
維克拉姆著陸器的名稱來自維克拉姆•薩拉巴伊(Vikram Sarabhai)——被廣泛認為是印度太空計劃之父。
與軌道飛行器分離後,維克拉姆著陸器將利用其推力為800牛的發動機變軌到近月點為30公里、遠月點為100公里的橢圓軌道。它將首先對各系統進行一次全面“體檢”,一切正常後嘗試軟著陸、部署月球車、執行為期約14天的科學考察活動。著陸器和月球車總質量約為1471千克。
維克拉姆著陸器推進系統包括八個用於姿態控制的50牛推進器和五個800牛的液體發動機。它可以安全降落在12°的斜坡上。
月船二號月球車
普拉岡月球車
月球車質量約為27千克,並以太陽能為動力。它將利用6個輪子以每秒1厘米的速度在月球表面上行駛,並對月球表面土壤進行化學分析,將數據發送給著陸器,然後由著陸器傳回地球。
普拉岡月球車預計工作時間為1個月晝(相當於地球上的約14天)。但其電力系統支持睡眠/喚醒技術,因此,它的工作時間可能會延長。
有效載荷
印度空間研究組織為軌道飛行器選擇了8種科學儀器,為著陸器選擇了4種,為月球車選擇了2種。印度空間研究組織在2010年曾表示,受重量限制,月船二號不會搭載外國有效載荷。但著陸器最終搭載有美國航空航天局的一個小型激光後向反射器,目的是幫助科學家測量地球到月球的準確距離和觀察月球天平動。
月船一號證實月球上存在固態水
月船一號
2007年,日本和中國先後發射了繞月探測衛星。印度於2008年10月22日發射了首個無人探月裝置——月船一號。月船一號准確進入繞月軌道,搭載的儀器對月球表面和內部進行了大量勘測,並發回大量數據。通過這些數據,科學家們驚奇地發現:月球上存在固態水,這是月船一號最大的發現。
2009年8月底,月船一號因內部儀器過熱而發生故障,與地面失去聯繫。雖然任務被迫終止了,但月船一號基本實現了印度的發射目標。
預計工作壽命為2年的月船一號,在發射10個月後(2009年8月29日)與地面失聯。2017年3月,英國《獨立報》網站刊文稱,在失去無線電聯繫8年後,印度第一個月球探測器月船一號被發現仍然在進行繞月飛行。美國航空航天局噴氣推進實驗室也在月球表面上空200公里處發現了月船一號。
月船二號需要多次變軌,並等待時機才能登陸月球
月船二號飛得慢?
月船二號從發射到登月所需時間要長得多(例如,如果7月15日發射成功需要52天),而中美航天器登月通常僅需要1-2週,問題出在哪裡?我們拿月船二號與嫦娥三號進行比較,了解其中的奧秘。
嫦娥三號發射後,5天時間就進入月球軌道,成為月球的一顆衛星。這得益於長征三號乙火箭巨大的運力,能直接把嫦娥三號送入近地點數百公里、遠地點38萬公里的地月轉移軌道。
飛船要進入地月轉移軌道,對速度是有一定要求的,常規方式進入這一軌道要求航天器飛行速度達到接近第二宇宙速度的10.9公里/秒,這就要求火箭的運力要充足。
地月轉移軌道也有不同選擇,最短的3天左右,長的可以長達數個月甚至數年,基本上取決於燃料和需求。但速度越快,對軌道控制的精度要求就越高,燃料消耗就越大,插入月球軌道時的風險也就越大。因此大多數常規任務都選擇週期為5天左右的普通軌道。
實際上,嫦娥三號進入月球軌道後,也是經過數次變軌才最終進入了100×100公里的圓形軌道,再到偵察飛行和成功落月,又過去了一周時間。嚴格意義上說嫦娥三號從發射到落月,總共用了兩週時間。
月船二號多次變軌示意圖
月船二號進入地月轉移軌道的方式就複雜得多。GSLV Mk3火箭首先將飛船發射到近地點180公里、遠地點40000公里的超同步轉移軌道。然後每隔數天飛船都會在近地點點火,持續抬高飛船的遠地點軌道高度。
這種操作大約要持續十余天、進行五次變軌,才能把飛船軌道的遠地點從4萬公里提高到38萬公里左右。然後再經過5天的奔月飛行才能接近月球軌道,總計耗時約17天。
從接近月球到進入100公里的環月軌道,月船二號需要進行5次剎車,大約需要4天時間。因此月船二號從發射到變成環月飛行最少需要21-22天的時間。然後再經過數天在軌飛行,對系統進行檢查、對月成像,總計就需要一個月左右。
然後,月船二號還需要等待月夜過去,在月晝開始時登月,以完成14天的科學考察任務。總之,由於火箭運力不足,月船二號將被迫在“路上”花更多時間。
嫦娥四號首次訪問月球背面
與嫦娥四號的比較
嫦娥四號由著陸器與巡視器組成,巡視器命名為“玉兔二號”。作為全球首個在月球背面軟著陸,並進行巡視探測的航天器,其主要任務是著陸月球表面,繼續更深層次更加全面地科學探測月球地質、資源等方面的信息,完善月球的“檔案資料” 。
由於在月球背面著陸,嫦娥四號與地球間的通信需要通過中繼衛星進行,為此,用於嫦娥四號任務的中繼衛星“鵲橋”號於2018年5月21日成功發射。這無疑加大了嫦娥四號與地面控制站通信的難度和挑戰。而月船二號在月球正面著陸,為它提供通信保障的難度要低得多。
2018年12月8日,嫦娥四號在西昌衛星發射中心由長征三號乙運載火箭成功發射。2019年1月3日,嫦娥四號成功著陸在月球背面南極地區艾特肯盆地馮•卡門撞擊坑著陸區,“玉兔二號”到達月面開始巡視探測。2019年1月11日,嫦娥四號著陸器與玉兔二號巡視器兩器互拍,達到工程既定目標,標誌著嫦娥四號任務圓滿成功。
“玉兔二號”設計壽命3個月,已於7月9日9時10分進入第七個月夜,目前工作壽命已超過計劃1倍。月船2號已多次跳票,而且月球車設計工作壽命僅為一個月晝。
今年1月15日,嫦娥四號攜帶的棉花種子長出嫩芽,這是人類首次在月面完成的生物試驗。棉花嫩芽長勢良好,這是在經歷月球低重力、強輻射、高溫差等嚴峻環境考驗後,在月球上長出的第一株植物嫩芽,完成人類首次月面生物生長培育實驗。月船二號奔月、落月過程還存在多種不確定性,著陸器、月球車能否經受得住月球表面嚴苛環境的考驗還是個未知數。
印度航天簡史
印度航天事業是在蘇聯的技術援助下建立起來的。1963年,印度發射了第一枚探空火箭。1975年,印度第一顆衛星從蘇聯火箭發射場發射升空。1980年7月18日,印度第一次用自主運載火箭從本國發射場發射衛星成功,成為世界上第六個具有獨立衛星發射能力的國家。
到2012年為止,印度已發射各類衛星50多顆,用於教育、衛生、減災、自然資源利用、國防等領域。
印度火星軌道探測器成功進入火星軌道
印度航天雄心
印度空間研究組織主席金思旺(Kailasavadivoo Sivan)曾發文表示,該組織計劃在未來將從月船系列航天器項目獲得的經驗用於更具挑戰性的任務,例如登陸小行星或火星,或向金星發射航天器。
印度空間研究部副部長吉吉德拉•辛格上週三向議員們表示,“印度空間研究所和學術機構正在對月球未來定居點的結構進行實驗,科學家正在對定居點的要求和復雜性進行各項研究。”
與我國相似,印度也制定了雄心勃勃的月球探測計劃,並將計划划分為三個階段。第一階段,印度將於2008年前發射一顆小型環繞月球飛行的航天器月船一號,這一階段基本完成,雖然月船一號實際工作時間遠遠短於預定的兩年;第二階段發射航天器登月,對月球進行多領域科學研究;第三階段,2015年之前實現載人登月。很顯然的是,第二、三階段的實施遠遠落後於規劃時間。
但印度在航天領域還是取得了一定成就。2014年9月24日,印度火星軌道探測器成功進入火星軌道,成為全球首個第一次嘗試航天器便成功進入火星軌道的國家。數年前,中國“螢火一號”航天器搭乘俄羅斯“福布斯-土壤”火星探測器前往火星,結果在地火轉移軌道上點火失敗。
另外,印度在一箭多星技術上取得了較大成功,曾創下一箭發射104顆衛星的世界記錄。(作者/霜葉)