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    印度發射新月球探測器,雄心勃勃的探月計劃遠景是載人登月

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    印度發射新月球探測器,雄心勃勃的探月計劃遠景是載人登月

    印度發射新月球探測器——月船三號,這是印度雄心勃勃月球探測計劃的一部分。

    7月14日,搭載月船三號探測器的LVM3運載火箭發射成功,探測器進入預定軌道,月船三號探測器預定于8月23日著陸月球南極,如果一切順利的話,它將成為人類歷史上第一個月球極區著陸器。

    印度開國總理尼赫魯曾說印度要做“有聲有色的大國”,這個大國夢想不僅是尼赫魯的個人雄心,更是印度的國家夢想。印度航天作為國家追求“有聲有色”大國夢想路上為數不多的亮點,印度正通過月球探測展示自己的大國雄心。

    印度的月球探測計劃

    印度空間研究組織(ISRO)的月船三號探測器將再次挑戰高難度的月球軟著陸,試圖實現印度成功落月“零的突破”。月船三號很大程度上是月船二號探測器的克隆,我們回顧印度更早的月船系列探測器,會發現雖然印度的月球探測成就和體系上遠不能與中國、美國等國家相提并論,但其月球探測計劃如果成功,仍將是世界各國中屈指可數的。

    印度的月球探測計劃于20年前正式啟動,2003年,印度總理在8月15日的國慶日上宣布,印度將開展月球探測,而印度業內正式討論月球探測計劃,至少可以追溯到1999年的印度科學院會議。2003年4月印度上百名行星和空間科學領域的著名科學家討論并通過了向月球發射探測器的建議,促成了印度政府在同年11月正式批準這項任務,這就是2008年發射的月船一號探測器。

    印度雖然人口眾多,但工業和科學基礎薄弱,月球探測只能量體裁衣,選擇符合印度國情的設計方案。月船一號項目的目標,是實現印度月球探測零的突破,使用印度現有的火箭將印度研制的探測器送入月球軌道,并開展試驗性的科學研究,包括繪制月面立體地圖,以及研究月面物質組成等。月船一號探測器發射重量1380千克,攜帶了11個科學載荷,其中5個是印度研制的,另外6個分別由歐美國家提供,它還攜帶了一個月球撞擊器。

    2008年10月22日,印度使用PSLV運載火箭成功發射了月船一號探測器,經過探測器的多次變軌后飛向月球,并完成近月捕獲最終進入距離月面100公里高度的圓軌道。月船一號探測器的著名成果包括使用國產的地形測繪相機(TMC)繪制了7米分辨率的全月圖,以及搭載的美國月球礦物繪圖儀(M3)發現了月球極區存在水,激發了人類對月球探測的熱情。

    印度發射新月球探測器,雄心勃勃的探月計劃遠景是載人登月(圖1)

    月船一號作為印度月球探測的開路先鋒并不完美:雖然探測器設計壽命2年,但印度對近月軌道的熱環境考慮不足,100公里高度的月船一號探測器被月面反射的高溫致失效,于2009年8月28日徹底失去聯系。月船一號僅僅工作了312天,但整個項目只花了約8300萬美元,總體上還是成功的。印度科學界在月船一號發射前,就雄心勃勃地討論了著陸探測等后續計劃,2008年9月18日印度政府決定支持月球軟著陸探測項目。

    月船二號探測器設計上比一號復雜得多,月船一號只是一個一噸級通信衛星平臺,而月船二號發射質量達到了3850千克,包括軌道器、著陸器和月球車三個部分,其中著陸器被命名為,以紀念印度航天之父,而月球車被命名為,整個項目花費了96億盧比(當時幣值約合1.3億美元)。印度于2019年7月22日使用LVM3火箭發射了月船二號探測器,這也是LVM3的首次正式發射任務,當年8月20日探測器進入月球軌道,9月7日開始實施月球軟著陸。月船二號的變軌和軟著陸機動開始相當順利,但高度降低到2.1公里高度時飛行軌跡開始偏移,遙測信號顯示著陸器最后的垂直下落速度超過58米/秒,這肯定是硬著陸了。

    事后,美國LRO月球軌道器的高分辨率衛片顯示,著陸器徹底摔碎了,印度的首次月球著陸嘗試以徹底失敗告終,月球車更是和著陸器同歸于盡,月面巡視還沒開始就結束了。盡管如此,月船二號任務的軌道器還是取得了一定的成績,月船二號軌道器攜帶了印度研制的多種儀器載荷,尤其是高分辨率相機(OHRC)具備0.32米的超高分辨率,超過了美國的LRO探測器的0.5米,考慮到月船二號軌道器運行高度是100公里,而LRO是50公里,OHRC相機的角分辨率是LROC相機的3倍。月船二號軌道器拍攝了大量月面高分辨率衛片,包括月船二號著陸器殘骸以及美國阿波羅登月遺址。

    承上啟下的月船三號

    2019年月船二號的軟著陸失敗了,但這次登月失敗并沒有澆滅印度的月球雄心。2019年11月,印度空間研究組織宣布將實施新的月球軟著陸任務,這項任務被命名為月船三號。由于印度政府支持相當有限,印度月船探測器并沒有像我國嫦娥系列探測器那樣研制備份星,但月船三號探測器在總體設計上是月船二號的復制,相當于重新造了一個月船二號,它的主要目標也是繼續挑戰月球軟著陸技術,突破和掌握月面軟著陸和巡視能力。

    月船三號任務是印度空間研究組織和印度科學家們的“心頭肉”,但印度政府對這個項目積極性并不高。2019年印度空間研究組織為月船三號任務申請了7.5億盧比預算,根據該組織前任主席K·斯萬的說法,月船三號任務的總預算大約為61.5億盧比(約合7488萬美元),其中探測器研制預算為25億盧比(約3000萬美元),而發射火箭LVM3都需要36.5億盧比(4450萬美元)。雖然整個項目預算資金低得可憐,不得不調整項目,月船三號探測器將只包括著陸器和巡視器,而去掉了獨立的軌道器。由于著陸器不具備獨立實施近月制動進入月球軌道的能力,月船三號還需要一個可分離的推進艙執行近月制動任務,從目前公開的月船三號照片看,所謂推進艙就是沒有安裝原有探測載荷的軌道器,但這個推進艙倒不全是空殼,它還裝有名為地球光譜偏振儀(SHAPE)的載荷,從月球軌道研究地球的光譜和測量偏振,它還攜帶S波段轉發器,為著陸器提供信號中轉功能。

    月船三號發射質量約3.9噸,其中推進艙質量2145千克,著陸器質量1749千克,著陸器中包括一輛26千克的月球車。為了適應月球極區陽光照射角低的環境,月船三號著陸器四個側面貼裝了太陽能電池,提供738瓦的功率,巡視器更是特意安裝了一個豎起的太陽能電池板,發電功率為50瓦。月船三號著陸器設計上相當保守,并沒有考慮度過月夜,其設計壽命只有14天(一個月晝),小小的月球車就更不考慮過夜了。印度空間研究組織為月船三號任務設定的三大目標:突破掌握月球軟著陸技術,驗證巡視器技術和開展原位科學探測,第一項由著陸器實現,后兩項依靠巡視器完成。

    雖然月船三號著陸器和月球車設計上和月船二號探測器大致相同,但印度仍對它們做了一些改進,以提高月船三號任務的成功率。月船三號著陸器移除了二號著陸器中心的發動機,把800牛變推力著陸主發動機的數量從5臺減少到4臺,印度800牛發動機采用雙組元推進劑,但據稱變推力節流下限只到80%,這明顯增加了軟著陸的控制難度,要實現垂直速度小于2米/秒的軟著陸,對它的著陸控制算法是一個不大不小的考驗。印度曾試圖為月船三號著陸器進口高精度的激光多普勒測速儀(LDV),但一直沒買到,只好自力更生,研制了印度自己的激光測速儀。印度還為著陸器安裝了額外的攝像頭,提高著陸器的態勢感知能力,為軟著陸過程提供更全面可靠的依據。月船三號預定落點為南緯69.度, 東經32.度,和月船二號的落點并不遠。

    月船三號著陸器裝有測量等離子體密度和變化的朗繆爾探針(LP),以及測量熱導率和溫度的錢德拉表面熱物理實驗儀(),測量著陸區月震活動的月震儀(ILSA)。月船三號的月球雖然尺寸很小,但麻雀雖小五臟俱全,它裝有阿爾法粒子X射線光譜儀(APXS)和激光誘導擊穿光譜儀(LIBS),尤其是LIBS的使用僅晚于美國和中國的大型火星車,也是世界上第一個裝有LIBS的月球車。APXS和LIBS將用于開展月球原位探測,尤其是LIBS能通過非接觸式探測快速獲得物質元素成分信息,對月球表面的月壤月巖的成本進行研究。

    總的來說,月船三號最重要的使命就是突破軟著陸技術,為印度后續探月任務以及印度參與的國際合作計劃奠定基礎。印度和日本2017年簽署了預研協議,2021年正式宣布聯合實施名為月球極區探測計劃(LUPEX)的探月項目,其中印度提供月球著陸器,而日本提供H3火箭和月球車。月船二號本來要為它驗證軟著陸器技術,但著陸失敗導致只能再進行一次著陸嘗試即月船三號項目。如果月船三號軟著陸成功的話,印日將研制和發射LUPEX探測器,對月球南極進行原位探測。LUPEX的主要目標是勘測分析月球極區的水資源,著陸器將攜帶至少350千克的載荷,月球車搭載印度和日本的多種載荷,包括從1.5米深度鉆取地下樣本的鉆機。

    印度的探月雄心

    預算和支持力度不足是制約印度月球和深空探測最主要原因,但印度航天并不缺乏對未來的設想和規劃。

    印度在月球探測上提出了環繞探測,著陸探測,月面取樣和取樣返回四個階段的發展戰略。月船一號任務實現了環繞探測,還攜帶撞擊器進行了撞擊探測;月船二號目標是突破掌握軟著陸技術,以及開展巡視探測,月船二號著陸失敗,現在月船三號將繼續落月嘗試;印度和日本還在聯合推進月球極區探測任務/LUPEX,它也被印度人稱為月船四號探測器,雖然項目還沒有正式立項,但雙方都在開展研制工作,預計2026-2028年發射。

    月船四號著陸月球南極點附近后,將使用印度研制的鉆機鉆取月球地下樣本,加熱分析是否存在揮發物尤其是水。月船四號著陸器還將驗證月夜生存技術,設計壽命達到6個月,也為開展更復雜的月球探測任務鋪平道路。印度還準備啟動月船五號探測項目,探測器可能在2030年前后發射,它的定位和功能類似月船四號,同樣選擇月球極區著陸,但將是印度主導完成的任務,據稱它配有大型巡視器,也將鉆取樣品進行原位研究;印度也在策劃月球取樣返回探測器,未來可能編號為月船六號任務,但作為遠景規劃實施時間將在2030年之后??偠灾?,印度的月球探測同樣要走“繞落回”的大方向,但印度根據自身能力和國際合作環境,多出一個極區取樣探測的階段。

    印度在探月方面也在積極開展國際合作。2008年發射的月船一號軌道器上,就搭載了NASA等外國機構提供的多種科研載荷,今年6月23日印美簽署阿爾忒彌斯協定,印度成為阿爾忒彌斯協定的第27個簽署國。美國目前正在實施阿爾忒彌斯登月計劃,而阿爾忒彌斯協定的目標不僅是增進阿爾忒彌斯計劃的國際合作,讓大家共同為美國主導的載人重返月球添磚加瓦,也有抱團建立新的國際化框架的遠景。

    美國發起國際空間站項目,向參與國家尤其是盟友提供便利轉讓技術,讓歐洲和日本搭便車大大增強了載人航天能力,阿爾忒彌斯協定下的各個國家也有望得到美國的支持和技術轉移,這對印度這樣具備一定的航天實力和巨大的發展潛力但深空探測水平還比較落后的國家來說絕對是及時雨,印度未來可能獲得深度交流的機會和技術輸出,研制出更先進的月船系列探測器,未來甚至不排除以下一代火箭和飛船參與載人登月計劃,為印度發展獨立的載人登月能力打基礎。

    張雪松

    文章來源:https://www.chinanews.com.cn/gj/2023/07-15/10043467.shtml

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