文/張晨

▲ “月船3 號”搭乘LVM3 運載火箭發(fā)射升空

北京時間2023 年7 月24 日20:47，印度的月船3 號月球探測器搭乘LVM3 火箭發(fā)射升空，開始了奔向月球的旅程。經(jīng)過一個多月的航行，8 月23 日，“月船3 號”的“維克拉姆”著陸器成功著陸月球南極地區(qū)，開啟了人類月球極地探測新篇章，也標志著印度在蘇、美、中后成為第四個成功實現(xiàn)月球軟著陸的國家。

奔月之旅

由于印度LVM3 火箭（原名GSLV Mk.3）運載能力有限，無法將3.9噸的組合體送入直接奔月的轉(zhuǎn)移軌道，同時對直接飛往月球的入軌精度和窗口無法保證，因此“月船3 號”仍然使用類似“月船2 號”的奔月飛行方案，即由運載火箭將探測器組合體送入大橢圓繞地軌道，探測器在此軌道上通過5 次機動抬升進入奔月軌道。

“月船3 號”的初始軌道是一條11 小時軌道，計劃軌道為近地點170千米、遠地點36500 千米。這已經(jīng)達到了LVM3 運載火箭的運力極限。雖然在發(fā)射后北美防空聯(lián)合司令部的測軌數(shù)據(jù)中給出了“月船3 號”僅進入了近地點138 千米的繞地軌道，并且被廣泛報道，但有極大概率該數(shù)據(jù)是因為美國太空軍的空間態(tài)勢感知雷達衛(wèi)星——“太空籬笆”測量精度問題，或者是探測器在兩次經(jīng)過“太空籬笆”時軌道發(fā)生變動導(dǎo)致的測量偏差?？紤]到印度的發(fā)射直播中，LVM3 火箭表現(xiàn)完美，性能符合預(yù)期曲線，并且在關(guān)機前探測器已經(jīng)達到169.7 千米高度，可以認為“月船3 號”準確進入了預(yù)定軌道，并不存在所謂的“入軌偏差過大，導(dǎo)致需要額外消耗燃料提升軌道”的意外。

經(jīng)過1 次奔月機動和1 次抬升機動后，“月船3 號”進入12 小時軌道，隨后通過第二和第三次奔月機動進入16 小時軌道和24 小時軌道。抬升機動將“月船3 號”近地點從173 千米提升至226 千米，以避免航天器在過低的近地點遇到大氣阻力。

不同于“嫦娥一號”在奔月中采用的600 千米近地點，“月船3 號”和它的前輩“月船2 號”因為燃料有限，需要盡可能降低機動高度以提升點火效率，因此這幾次提升遠地點的點火高度不超過300 千米，通過調(diào)整軌道周期和近地點的位置，使“月船3 號”的升軌點火弧段位于印度本土上空，以滿足航天器本土測控的需求。

同時，這種低近地點的大橢圓軌道升軌還存在著額外的風險。由于最后幾圈軌道的遠地點達到數(shù)萬至十幾萬千米，航天器在大橢圓軌道的遠地點附近會受到來自月球和太陽的引力攝動，存在直接再入的風險，因此印度租借了美國和歐洲的深空測控網(wǎng)以對航天器每一圈軌跡進行測定，避免其因為引力攝動而使昂貴的、寄托著印度希望的探測器在印度洋上化作一道流星。第四次奔月機動后探測器進入48 小時軌道，而最后一次奔月機動使得“月船3 號”繞地軌道的遠地點達到40萬千米，探測器正式踏上奔月之旅。

2023 年8 月23 日20 點13 分51 秒，月船3 號著陸器開始動力下降。按照預(yù)定的4 階段進行，動力下降階段一切正常，月船3 號著陸器最終在20:33 成功著陸至月球南緯69.36968°、東經(jīng)32.33307°的預(yù)定著陸點附近，隨后巡視器正常部署，代表著印度成功實現(xiàn)了月球軟著陸，成為了全世界第四個將探測器送上月面的國家。

科學目標

“月船3 號”的計劃著陸點位于月球南極南緯69.367°、東經(jīng)32.3°附近的高地上。該地區(qū)也曾是“月船2 號”的計劃著陸點。值得注意的是，目前對于“月球南極”的稱呼仍然采用地球上的標準，即南緯66°34’以南區(qū)域，但實際上能夠擁有極晝的月球南極緯度高達86°以上，嚴格來說“月船3 號不能算抵達了極圈。但目前并未對此定義加以界定。

“月船3 號”著陸器配置3 臺科學儀器：錢德拉月球表面熱物理實驗（ChaSTE），月球地震活動探測器（ILSA），朗繆爾探測器（LP）。其中ChaSTE 用于測量月球表面的熱導(dǎo)率和溫度，獲得該地區(qū)月壤的基本物理性質(zhì)；ILSA 將測量月球的地震活動；LP 將探測月球表面附近等離子體密度的變化。這3 臺儀器也安裝在了“月船2 號”上。由于“月船3 號”著陸器上沒有攜帶用于渡過月夜的放射性同位素加熱裝置，“月船3 號”著陸器的設(shè)計壽命不大于14 個地球日。

▲ 智慧號小型月球巡視器

“月船3 號”著陸器及巡視器

“月船3 號”著陸器上攜帶的小型巡視器“智慧號”（Pyagram）也繼承了其搭載在“月船2 號”上的前輩的命名。該小型巡視器發(fā)射質(zhì)量為26 千克，采用6 輪設(shè)計，行進速度最大為1 厘米/秒。由于著陸器不具備直接對地通信能力，只能在距離著陸器500 米范圍內(nèi)運行，于是印度空間研究組織計劃讓“智慧號”在其短短14 個地球日的壽命中運行500 米，通過一對擁有100 萬像素的單色攝像頭實現(xiàn)巡視器周圍地形的3D 成像。巡視器計劃開展一系列科學探測。該巡視器配置有一臺小型鉆機和2 臺科學儀器：阿爾法粒子X 射線光譜儀(APXS)和激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀(LIBS)。APXS將測量月球表面的化學成分并推斷礦物成分，LIBS 將測定月球著陸點周圍月球土壤和巖石的元素成分，這個配置也和“月船2 號”上的巡視器相同。印度空間研究組織希望新的巡視器探測的數(shù)據(jù)可以獲得月球表面的組成、證明月球土壤中存在水冰、描繪月球撞擊的歷史和月球大氣層的演變。

▲ 月船3 號的小型月球巡視器

▲ “月船3 號”的3 個部分

▲ 維克拉姆著陸器在月球表面模擬圖

進步與取舍

在4 年前的2019 年9 月6 日，承載著印度登月夢想的“月船2 號”（CHANDRAYAAN-2）著陸器“維克拉姆”在動力下降過程中因為飛控軟件故障導(dǎo)致夢碎月球。“維克拉姆”著陸的第一階段依靠慣性導(dǎo)航組件進行盲降，4 臺著陸發(fā)動機全推力運行后進入第二階段，打開全部測量儀器測量盲降后的著陸器軌跡參數(shù)，結(jié)果工作人員發(fā)現(xiàn)盲降階段減速程度高于預(yù)期，著陸器的軌跡無法滿足下一階段著陸要求，飛控故障導(dǎo)致維克拉姆著陸器失去控制，以58 米/秒的速度墜落于月球南極高地。美國月球勘測軌道器的圖像表明，著陸器的墜落地點距離預(yù)計著陸點僅差600 米。

“維克拉姆”墜落后，印度先是宣布其成功著陸，在多普勒測速數(shù)據(jù)放出后又宣布“維克拉姆”雖然著地速度過高，但著陸器仍然保持完整，有信號發(fā)出，聲稱軌道器已經(jīng)與著陸器建立了聯(lián)系，并且獲得了圖像。9月17 日，美國月球勘測軌道器飛越著陸區(qū)，發(fā)現(xiàn)了維克拉姆著陸器爆炸后的痕跡，一些碎片被崩到了2.4千米外，證明該著陸器在毀滅性的地面沖撞中被徹底摧毀。此后，印度又宣稱該任務(wù)“成功了99%”，甚至宣稱自己在2008 年發(fā)射的“月船1 號”撞擊器先于中國抵達月球，稱自己為“第三個抵達月球表面的國家”。

事實上印度人自己也清楚，“維克拉姆”并沒有起到任何作為一個月球著陸器的作用，它的科學儀器沒有產(chǎn)出一個比特的月球表面數(shù)據(jù)。因此在嘴炮之外，他們也開始建造第二個登月航天器，這就是“月船3 號”。

▲ 控制大廳的工作人員

“月船3 號”項目于2019 年12月啟動，獲得了最初的940 萬美元資金，但隨后受新冠疫情影響，其開發(fā)受到了巨大阻礙。印度空間研究組織認為該任務(wù)的開發(fā)將耗資9000 萬美元。由于“月船2 號”的軌道器攜帶了大量科學載荷，并且壽命大幅延長，得以繼續(xù)在月球軌道上開展科學探測，因此“月船3 號”的軌道器取消了幾乎所有的科學儀器。該軌道器仍然基于I-2K 平臺建造，配置可提供758瓦功率的太陽能帆板，使用一臺440牛雙組元推進器。

“月船3 號”的軌道器負責月球轉(zhuǎn)移軌道提升、月球軌道轉(zhuǎn)移和近月制動，在抵達100 千米環(huán)月軌道后與著陸器分離，接下來負責和著陸器進行通信中繼，并且運行唯一的科學儀器“宜居行星地球光譜偏振測量”(SHAPE)用于觀測地球。該儀器從月球軌道在近紅外1-1.7μm 波長范圍內(nèi)對地球進行光譜和偏振測量，設(shè)計壽命僅為3～6 個月。

“月船3 號”的著陸器仍然被命名為“維克拉姆”。與“月船2 號”相比，“月船3 號”著陸器質(zhì)量大幅增加，從1471 千克提升到了1752 千克，加注了更多的推進劑。推進劑質(zhì)量的提升增加了不少裕度，為著陸器動力下降期間提供更多的容錯空間。同時原計劃的5 臺800 牛著陸發(fā)動機中，中心的著陸發(fā)動機被取消。

印度空間研究組織主席在訪談中稱該發(fā)動機的作用之一是吹除著陸點的月塵，但“月船3 號”著陸器被要求以著陸為優(yōu)先，因此改進了著陸器，使其可以容忍這一問題。同時印度空間研究組織也做了取消中心發(fā)動機的著陸測試，結(jié)論是使用4 臺發(fā)動機也足以實施月球軟著陸。有一些消息指出印度為該發(fā)動機配置了 40%～100%的四檔階梯式變推力模式，但是另一則文獻指出，該著陸發(fā)動機只能提供額定推力的80%節(jié)流推力，因此“月船 3 號” 著陸器仍然需要通過一系列著陸發(fā)動機的開關(guān)來減緩下降速度，而不是以類似“嫦娥三號”那樣的單臺連續(xù)深度變推力發(fā)動機著陸方案。

針對上次出現(xiàn)的故障，印度原計劃在“月船2 號”上配置進口激光多普勒測速儀，但是因為對印度的出口限制，未能買到而作罷，只使用了精度較低的微波多普勒測速儀。在“月船3 號”任務(wù)中印度在著陸器上配置了國產(chǎn)的激光多普勒測速儀，并且增加了額外的攝像頭以監(jiān)控著陸器狀態(tài)。

▲ 著陸器正在微波暗室中測試巡視器分離

▲ 測試中的“月船3 號”

“月船3 號”著陸包括4 個階段，和“月船2 號”的時序相似。動力下降的第一階段被稱為“粗略減速階段”，著陸器在T+0 秒、高度30 千米、距離著陸點745.5 千米時打開全部4 臺發(fā)動機開始動力下降，此時水平速度為1.68 千米/秒?！按致詼p速階段”持續(xù)690 秒，在此階段著陸器航行713.5 千米?！按致詼p速階段”結(jié)束時著陸器高度7.4 千米，水平速度為358 米/秒，垂直速度61 米/秒。著陸器進入長10 秒的“姿態(tài)維持階段”，打開激光和微波測速測距儀開始測量著陸器姿態(tài)。在該階段結(jié)束時著陸器高度6.8 千米、水平速度338 米/秒、垂直速度59 米/秒、距離著陸點28.52千米。隨后進入“精細減速階段”，該階段持續(xù)195 秒，結(jié)束時著陸器速度減為零。隨后進入“最終著陸階段”。此時著陸器距離月球表面高度1000 米并且懸停12 秒，隨后開始低速下降并且掃描著陸點。1038 秒時著陸器下降至150 米高度時繼續(xù)懸停22 秒，掃描著陸區(qū)并且判斷著陸點是否滿足，如果滿足的話著陸器就會繼續(xù)下降，在動力下降開始后第1122～1180 秒著陸在月表。如果不滿足，著陸器會重新選擇一個著陸點并且橫向移動150秒，在動力下降開始后1171 秒著陸。

在“月船3 號”的著陸流程中，雖然有人認為沒必要在動力下降階段安排一個盲降段，但對于月球南極復(fù)雜的地形來說，在長距離動力下降過程中測速測高設(shè)備可能會因為地形變動導(dǎo)致極其離譜的數(shù)據(jù)跳變，如果程序有缺陷或者濾波沒做好可能會導(dǎo)致程序故障，引發(fā)任務(wù)失敗，如今年4月著陸失敗的日本的“白兔-R”。

而“月船3 號”的改進方向并不在于如何解決盲降階段測量精度的問題，而是變成了如何在導(dǎo)航或測量出現(xiàn)問題的情況下著陸。因此對“月船3號”著陸器的著陸腿結(jié)構(gòu)進行了加強，同時增加了著陸器太陽翼的面積和測控天線的數(shù)量，并且增強了著陸器通信天線和月球車的電量，以保證探測器即使遇到計劃外的著陸地貌也能完成數(shù)據(jù)下傳。印度空間研究組織還在“月船3 號”的導(dǎo)航程序中嵌入了盲降程序，該程序可以在動力下降階段出現(xiàn)非致命故障時放棄原定著陸點進行盲降?？偠灾?，“月船3 號”任務(wù)以著陸月球為第一要義，并且針對該目標增加了大量內(nèi)容，力保月球著陸不容有失。

“月船3 號”的成功對于印度航天來說是一個重要的里程碑。一方面，它的成功為未來月球南極復(fù)雜地區(qū)多發(fā)并聯(lián)著陸制導(dǎo)算法提供了寶貴的經(jīng)驗，為以后在更遠月球極地地區(qū)著陸提供了解決方案。另一方面，鑒于未來日印合作月球極地探測任務(wù)也使用了多發(fā)并聯(lián)著陸技術(shù)，基于此項技術(shù)的擴展可以用于更大的月球著陸器，乃至火星著陸任務(wù)。