印度“曼加里安”火星探测任务背后的影响因素分析

2014-03-14张京男单文杰蔡闻一蒋佳玲张承志中国运载火箭技术研究院研究发展中心

国际太空 2014年11期

张京男单文杰蔡闻一蒋佳玲张承志（中国运载火箭技术研究院研究发展中心）

张京男单文杰蔡闻一蒋佳玲张承志（中国运载火箭技术研究院研究发展中心）

2014年9月24日，印度空间研究组织（ISRO）正式对外宣布，印度首个火星探测器“曼加里安”（Mangalyaan）历经10个月、跋涉6.66×108km后在当地时间07：47成功进入火星轨道，在离火星表面大约500km，距离地球约2.15×108km处正常运行，开始执行为期6个月的探测任务。

1 重要意义与影响

该任务使印度成为亚洲首个，继美国、俄罗斯和欧盟之后全球第4个依靠自主研发实现火星探测的国家，也是全世界唯一一个首次火星探测任务就成功的国家。在军事与国防总体能力方面，是印度继1998年成功进行3次地下核试验、2012年成功试射自主开发的能携带核弹头的烈火－5导弹之后又一次标志性提升；在深空探测方面，是继2008年10月印度月船－1（Chandrayaan－1）执行探月任务之后，印度第2次大型深空探测项目，有助于推进印度“十二五”期间的各项太空科学活动；在经济提振方面，印度国内“应该将钱花在卫生福利上面”的舆论消失了，近年来印度经济处于下行通道的严峻时期，有助于带动印度经济和自信心的恢复；在国际政治方面，改变了西方媒体对印度航天一直唱衰的态度，并为印度争取成为联合国安理会常任理事国再添砝码。

2 任务成功因素分析

此次探测任务分为发射、地球轨道机动、火星转移轨道、进入火星轨道和在轨工作5个阶段，整个工程能够顺利开展取决于多方面的因素。

航天研究机构对太空发展计划的有效部署

1972年，印度成立了太空委员会（SC）和太空部（DOS）。太空委员会负责印度太空活动的政策起草和科研项目监管，并带来社会经济效益；太空部所属的印度空间研究组织拥有专门负责研究太空发展计划的太空科学咨询委员会（ADCOS），该部门将印度第11个5年计划（2007－2012年）中的太空科学发展重点聚集于5个方面：地外行星探测、天文与天体物理研究、太空天气、地球天气与气候，开展了多项新太空任务，包括火星探测器、月球探测器、小行星探测器、彗星飞略与外太阳系探索等任务。“十一五”期间开展研制的“曼加里安”、月船－2、天文卫星－1（Astrosat－1），阿迪亚－1（Aditya－1）等深空探测项目，预计相继在国家第12个5年计划中实现。

利用灵活而可靠的“极轨卫星运载火箭”

装配中的月船－1

“极轨卫星运载火箭”（PSLV）主要用于发射太阳同步轨道及近地轨道卫星，可同时服务于印度政府的科研、民用与军用任务，也可服务于国外多样化的商业客户，并可实现“一箭多星”发射。火箭二子级和四子级采用液体火箭发动机，一子级、三子级以及助推器采用固体火箭发动机。在2014年8月之前，“极轨卫星运载火箭”共发射了27次，除了1993年9月首次发射失败之外，其余26次均已成功，在有效载荷灵活性的基础上兼具高可靠性。

经验证的探测器技术

“曼加里安”任务虽然是印度首次进行的地月外星际任务，但采用了印度月船－1月球探测器等任务的成熟技术，并由月船－1改装而来，质量为1350kg，其中燃料部分为852kg。探测器主体结构仍由印度斯坦航空有限公司（HAL）研制，印度空间研究组织继续负责进行探测器主发动机的地面试验工作，并集成有效载荷。

最简化的有效载荷功能

经过研究，太空科学咨询委员会将“曼加里安”的有效载荷数量从33个减少到9个，最后确定为5个，其质量仅约15kg。这一数字远远小于美国“火星大气与挥发物演变”（Maven）火星探测器的载荷质量，使得探测器的体积最小化，提升了任务的可靠性。虽然“曼加里安”在科学功能方面弱于美国火星探测器，但其有效载荷可以完成火星大气、粒子环境研究、表面成像这三类主要研究工作。

“曼加里安”发回的火星表面照片

其上的“火星大气层成分探测器”（MENCA）由印度空间研究组织的维克拉姆萨拉巴伊航天中心（VSSC）提供，其余由印度空间研究组织航天应用中心提供。

可靠而广泛分布的自建测控网络

在地球轨道阶段，印度空间研究组织遥测、跟踪、指挥网（ISTRAC）地面网络实施遥测、跟踪与控制（TT&C），负责印度所有的近地轨道卫星以及星际任务的运营与保障。在印度国内的站点位于印度的班加罗尔、布莱尔港、特里凡得琅，在国外的站点包括毛里求斯、文莱以及印度尼西亚比亚克岛。印度S频段两艘轮船监测站，位于南太平洋上，分别搭载了4.6m和1.8m天线，监测“极轨卫星运载火箭”与飞船分离动作。

印度深空通信网（IDSN）建于班加罗尔附近的Bylalu，由印度工业部门建立，拥有11m、18m和32m天线。“曼加里安”作深空飞行时使用X频段进行高速率上行与下行链路传输探测器与有效载荷数据，上行链路功率20kW，曾在月船－1探月工程中执行过跟踪任务。

在自建测控网执行任务的同时，美国航空航天局/美国喷气推进实验室（NASA/JPL）的深空通信网络站点位于美国戈德斯登、澳大利亚堪培拉、西班牙马德里，拥有34m与70m天线工作网络，功率为200kW，也为“曼加里安”提供了通信与导航支持。

3 成本控制因素分析

据媒体报道，印度此次任务成本为45亿卢比（约合4.52亿元人民币，7400万美元），仅相当于一架大型客机的造价，大约是美国“火星大气与挥发物演化任务”火星计划花费的1/10（6.71亿美元，约合人民币41.16亿元）。其原因主要体现在以下几方面。

实施全面预算制度，有效控制任务成本

印度空间研究组织负责印度航天发展的全面预算计划和管理执行，包括：运载火箭（研制半低温发动机、科研单位、火箭研制）、卫星（卫星研制、试验室、通信与探测网络等）、空间科学技术（月船－1月球探测、“曼加里安”火星探测等）、空间应用技术、管理机构、服务运营等，均纳入预算范围，确保任何一项任务成本得到控制。

根据印度空间研究组织制定并全面公开的太空发展预算，此次火星探火任务工程总预算是4.52亿元人民币。2012年、2013年“曼加里安”组装、集成和试验的预算共计2.925亿元人民币。根据印度空间研究组织在2013年的预算数据，初步计算出极轨卫星运载火箭－C25发射成本为1.8亿元人民币左右，与探测器成本相加共计4.625亿元人民币，与预算数据基本相同。可以看出，通过提前制订的公开预算，能够促进对任务成本的有效控制。

使用本国技术和元器件，降低产品配套成本

印度太空部致力于本国工业部门参与航天研制与发展计划，目前已有超过500家大、中、小型工业部门参与硬件生产与软件开发等服务，生产制造一枚火箭的成本中有60%来自于印度工业部门，如印度安得利（Antrix）公司、印度斯坦航空有限公司等。此次“曼加里安”火星探测任务本着本国产品优先采用的原则，使用的几乎全部是印度本土开发和制造的价格较为便宜的产品，如有效载荷、测控网、探测器结构等。

采用已有成熟技术，有效降低任务风险

印度近年来大力开发多个大型航天工程，印度空间研究组织此次开展工程研制的原则是：尽最大可能采用现有成熟技术，不怕其陈旧，不追求单项技术的先进；最大限度地用软件模拟测试来替代实体模型；尽可能完善试验，优化测试。这些原则使印度工程师没有尝试其他新方法的机会，从而降低了风险，提高了成效。但印度空间研究组织主席也表示，缺少创新是其工程迅速和高效背后存在的弊端。

人工成本占比低，研制团队规模小

在全球其他国家的空间项目预算成本构成中，科学家和工程师的薪酬占有很大比重，而印度把人力成本控制在了预算的15%以下。一方面，参加此次印度探测火星任务的工程研制人员总共大约2500人，团队规模十分有限；另一方面，印度工程师的工资较低，一个中层人员的月薪约为10000元人民币左右，而初级航天工程师的工资大约是每月6200元人民币，还不到西方同类工程师的1/3。

4 任务成功带来的启示

科学合理地编制航天科研任务预算，并逐步实现透明化

印度航天与欧美航天发展具有一定的共同点，即在制定明确的大型航天工程计划时，将计划详细分解为大量的子计划，并明确每个子计划的预算数额。所有信息都公开对外发布，并且针对预算或计划未能如期完成的情况会说明详细原因。这在一定程度上约束了工程成本的支出，形成了有效的成本控制机制。任务预算与任务信息的透明化，将有助于更多的社会技术与资本参与航天工程，推动项目快速高效发展。

在自主研制的基础上开展国际合作，解决任务瓶颈问题

通过此次任务可以看出，印度自建的测控网络站点不仅分布于印度国内，还在东南亚、非洲等地区的多个国家进行了部署，这些观测站在任务执行过程中发挥了重要作用。与此同时，印度此次任务在发射测控和深空通信网络方面都得到了美国先进航天技术机构的大力支持与保障。中国和印度目前都没有建立完备的全球深空通信网络，在自主研制原则下争取必要的国际力量，可以为当前和未来航天任务的成功提供重要保障。

从已有航天工程和项目中汲取经验，充分挖掘技术与系统的继承性潜力

印度空间研究组织在负责印度火星探测任务的同时，也是2008年印度探月工程的实施者。虽然月船－1探月任务仅仅执行了312天，远未达到2年的预期目标，但印度空间研究组织在高辐射环境对电子器件影响、热管理系统、冗余的小型化传感器等方面获得了宝贵经验。基于月船－1卫星平台，将月船－1改装成“曼加里安”用于执行火星任务。印度已完成的大型航天系统工程并不多，但此次火星探测充分利用了工程继承与经验教训的双重作用，实现了任务的快速完成和成本控制。

利用科学的风险评估方法，验证任务高风险环节和系统性能

印度在此次探火任务过程中，通过一种“技术风险依赖结构矩阵”（TR-DSM）识别出了具有若干高风险的开发组件与分系统，主要包括主发动机、热控系统、自主飞行软件系统、深空通信、导航电子器件与传感器；同时认清了多项高难度技术问题，如与探测器进行通信会有20min延迟，用300天时间进入火星轨道时需要再次启动发动机等。因此，对于大型复杂的航天工程，充分利用先进而科学的风险评估方法，将有助于工程经验与知识的积累。