月船二号:印度难度最大的航天项目

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《印度时报》最近报道，印度月球探测器月船二号（Chandrayaan-2）将于2019年年初发射，它的着陆器将用印度航天之父维克拉姆（Vikram）命名，以纪念维克拉姆诞辰100周年。月船二号探测器空前复杂，是印度有史以来难度最大的航天器项目，代表了印度航天的雄心壮志。

▲ 印度月球探测器月船二号2018年的宣传海报

▲ 印度月球探测器月船二号任务

一波三折的“月船二号”

印度第一颗月球探测器月船一号于2008年发射升空，设计寿命两年，但由于对月球反射带来的热辐射考虑不足，10个月就失去联系。“月船一号”还是取得了不少科学发现，尤其是美国提供的月球矿物绘图仪在极区发现了水的存在。受到“月船一号”成功的鼓舞，印度积极开展月球软着陆探测任务，也就是月船二号探测器。

月球软着陆探测任务难度高、技术复杂，而印度无论火箭还是卫星都在主要国家中敬排末座。“月船一号”只是一颗1.38吨重的轨道器，使用PSLVXL火箭发射都要自行变轨飞向月球，“月船二号”任务对火箭要求更高，而且还要研制着陆器和月球车。印度早期决定和俄罗斯合作，“借船出海”联合探月，俄罗斯将其称为月球-资源项目。“月船二号”任务原定2012年发射，但“月船一号”失联暴露的热控问题，让印度空间研究组织不得不完善设计，发射推迟到2012年年底，随后又推迟到2013年，和中国的嫦娥三号探测器狭路相逢！

▲ 印度月球探测器月船二号概念图

▲ 印度月球车

月船二号探测器将使用GSLV火箭发射，它的轨道器由印度研制，着陆器由俄罗斯拉沃契金设计局研制，月球车由印度和俄罗斯分别研制。月船二号探测器总重量将达到2457千克，其中轨道器重量1317千克（包括50千克载荷），着陆器和月球车重量1100千克(包括50千克载荷)，这次任务的主要目标之一就是去极区找水。由于预算问题，俄罗斯的月球车被取消，但探测器重量不减反增，总重量增加到2.65吨，其中轨道器1.4吨、着陆器1.25吨。另外为了避免重蹈覆辙，轨道器飞行高度提高到200公里，降低热控压力。

然而计划不如变化快，先是GSLV MKIII火箭的研制进度不尽如人意，印度决定改用GSLV MKII火箭发射，更换火箭运力下降带来探测器的调整，项目进度至少拖延六个月。2011年俄罗斯把福布斯-土壤探测器打飞了，不仅坑掉了中国的萤火一号火星探测器，也让印度出了一身冷汗。俄罗斯研制的着陆器设计要进行彻底评审，研制进度滞后导致发射至少要推迟到2015年，印度索性甩开俄罗斯单干，独立研制月球着陆器。不过这么一来，“月船二号”任务的发射就更遥遥无期了。

2012年印度进行了着陆器研制的可行性研究，认为印度能在2～3年内研制出一个着陆器。但印度一直存在火箭运力不足的问题，原来用GSLV MKIII火箭画饼充饥，即使改用GSLV MKII火箭，这种火箭仍不时发射失败。直到2014年1月5日GSLV-D5发射成功，验证了火箭尤其是印度自行制造的氢氧发动机的可靠性，印度空间研究组织才定下2016-2017年发射月船二号探测器的计划。“月船二号”的研制绝非一帆风顺，2015年印度就调低了预期，把发射时间调整到2017-2018年，探测器总重量增加到3250千克。不过也有好消息，有了充裕的时间做好热控和试验，轨道器的高度又降低到100公里，另外2015年9月印度还完成了着陆器的关键设计评审。

“月船二号”项目的折腾还没有结束。此后由于探测器研制进度拖延和印度火箭发射失败等原因，发射时间推迟到2018年10月，后来发射又进一步推迟到2019年1月。有趣的是印度航天折腾了一圈，“月船二号”发射不忘初心，运载火箭又换回了GSLV MKIII火箭，

绕落巡的月船二号探测器

印度“月船二号”探测任务将一步到位实现“绕落巡”，探测器包括轨道器、着陆器和巡视器三个组成部分。2016年印度打算用GSLV MKII火箭发射时，月船二号探测器组合体先被打入一个170公里×19500公里的椭圆轨道上，然后7天时间里自行机动变轨进入地月转移轨道，飞向月球并减速最终进入100公里高度环月轨道。现在月船二号探测器重量从3.25吨增加到3.85吨，比我国的嫦娥三号探测器还要略重，很难再用GSLV MKII火箭继续凑合了。

虽然GSLV MKIII火箭4吨的GTO轨道运载能力不如我国的长征三号乙火箭，但发射3.85吨重的月船二号探测器还是绰绰有余的。它将把“月船二号”送入170公里×36000公里的椭圆轨道，月船二号随后执行变轨提升远地点，飞向月球并最终进入绕月100公里轨道。相比只能进入亚轨道的GSLV MKII火箭发射方案，得益于新型大火箭运力的提高，“月船二号”轨道设计有了很大的改善。但新一代的GSLV MKIII火箭只成功发射过一次，它会不会在印度旗舰级的“月船二号”发射任务中掉链子，仍是一个不小的隐患。

月船二号探测器的轨道器重量增加到2.379吨，它不仅承担了组合体变轨的重任，还带有5种科学载荷在100公里高度的环月轨道上进行科学研究，这些载荷分别是：

大面积软X射线光谱仪（CLASS）和软X射线监视仪（XSM），它通过X射线测绘月球表面物质的主要成分。

▲月船二号变轨示意图

L波段和S波段合成孔径雷达（SAR），它用于探测月表之下的土壤成分，尤其是极区可能存在的水冰。

红外成像光谱仪（IIRS），它用于绘制0.8到5微米波段的大范围月面地图，寻找和研究月球的矿物质、水分子和羟基。

地形绘图摄像机-2（TMC-2），它工作在0.5到0.85微米波段，用于描绘月球表面的三维地图。

中性粒子质谱仪（ChACE-2），它用于测量和研究月球外大气层的中性粒子。

月船二号探测器更大的看点是它的着陆器和巡视器，它们都由印度自行研制，携带的载荷也都是印度国产货。维克拉姆号着陆器增重到1471千克，它使用印度自行研制的800牛变推力火箭发动机实施软着陆，着陆时先从100公里高度圆轨道进入100公里×30公里的椭圆轨道，随后开始软着陆下降飞行。印度选取了月球南极区域南纬85度左右的四个候选区域，崎岖陡峭的月面地形对软着陆提出了很大的挑战，“维克拉姆号”成功软着陆的难度要比“嫦娥三号”甚至“嫦娥四号”还高。

“维克拉姆号”还装上了月震仪（ILSA）、钱德拉月面热物理实验（ChaSTE）、双波段射电频谱仪（DFRS）和朗缪尔探针四种有效载荷。ILSA用于在着陆区探测月震，据此了解月球外壳和月幔的结构；ChaSTE用于测量月球表面的热特征，看来印度人对“月船一号”的意外失控始终耿耿于怀；双波段射电频谱仪用于测量月球电离层的电子总含量（TEC）；朗缪尔探针用于测量月球表面的等离子体密度和每天的变化信息。

月船二号探测器的6轮巡视器/月球车虽然只有27千克，但除了成像器（RI）外仍携带了两种不错的科学载荷：激光诱导击穿光谱仪（LIBS）和阿尔法粒子激发分光仪（APXS）。中国玉兔号月球车机械臂上就装有APXS，我们对它自然并不陌生，它堪称就地研究月球表面物质成分的“大杀器”；LIBS使用超短脉冲激光聚焦样品表面，灼烧产生等离子体再对此进行光谱分析，确定样品的物质成分和含量，我国第一颗火星探测器的火星车就将使用LIBS进行物质成分分析。印度“月船二号“的月球车虽然体积重量远小于玉兔号月球车，但在科学探索领域重点突出科学载荷恰到好处，毫不夸张地说实现了事半功倍的效果。

值得一提的是，印度月球车为了适应极区太阳低倾角的特殊环境，单块太阳能电池板设计上一直竖起来，和太阳光构成更大的夹角，从而获得稳定的电能供应。不知道是不是玉兔号月球车的意外吓到了印度人，印度空间研究组织宣布这辆月球车设计寿命只有14天（一个月球日），不过月球极区夜间温度较高，这辆月球车即使活上几个月甚至更久也不奇怪。

月船二号的发射和着陆

2019年1月左右，印度将从萨迪什·达万航天中心使用新型GSLV MKIII火箭发射月船二号探测器，这可能是这种运载火箭的第三次或第四次发射，发射压力巨大而且存在很大的变数。如果月船二号探测器成功发射，它的轨道转移要比“月船一号”简单得多，对印度空间研究组织并没有技术上的障碍。但是，这次绕落巡一体的月球探测任务难度很大。姑且不论轨道器、着陆器和巡视器三位一体带来的复杂性，光是南纬85度极区着陆的挑战就是空前的。

月球极区山岭密布，南纬85度左右靠近南极点的极区月面地形十分复杂。印度“月船二号”着陆器上安装的微型相机，在100～20公里高度范围识别月面环形山，对着陆过程进行导航控制；3公里到3米高度使用激光雷达（LIDAR）进行精确避障工作。即使软着陆的软硬件做好了地面测试等准备，但极区安全着陆还需要闯过地形识别和精确避障等一系列难关，下落过程中导航制导控制系统还要控制着陆器避开环形山的遮挡，在崎岖不平的月面找到一块尽可能平整的区域着陆，始终存在很大的风险。尽管有着这样那样的风险，但月球极区是月球科考的热点，而“月船二号”将是第一个软着陆极区的探测器。如果南极软着陆成功，潜在的科学收益也是空前的。