張京男 單文杰 蔡聞一 蔣佳玲 張承志（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心）

印度“曼加里安”火星探測(cè)任務(wù)背后的影響因素分析

張京男 單文杰 蔡聞一 蔣佳玲 張承志（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心）

2014年9月24日，印度空間研究組織（ISRO）正式對(duì)外宣布，印度首個(gè)火星探測(cè)器“曼加里安”（Mangalyaan）歷經(jīng)10個(gè)月、跋涉6.66×108km后在當(dāng)?shù)貢r(shí)間07：47成功進(jìn)入火星軌道，在離火星表面大約500km，距離地球約2.15×108km處正常運(yùn)行，開始執(zhí)行為期6個(gè)月的探測(cè)任務(wù)。

1 重要意義與影響

該任務(wù)使印度成為亞洲首個(gè)，繼美國(guó)、俄羅斯和歐盟之后全球第4個(gè)依靠自主研發(fā)實(shí)現(xiàn)火星探測(cè)的國(guó)家，也是全世界唯一一個(gè)首次火星探測(cè)任務(wù)就成功的國(guó)家。在軍事與國(guó)防總體能力方面，是印度繼1998年成功進(jìn)行3次地下核試驗(yàn)、2012年成功試射自主開發(fā)的能攜帶核彈頭的烈火－5導(dǎo)彈之后又一次標(biāo)志性提升；在深空探測(cè)方面，是繼2008年10月印度月船－1（Chandrayaan－1）執(zhí)行探月任務(wù)之后，印度第2次大型深空探測(cè)項(xiàng)目，有助于推進(jìn)印度“十二五”期間的各項(xiàng)太空科學(xué)活動(dòng)；在經(jīng)濟(jì)提振方面，印度國(guó)內(nèi)“應(yīng)該將錢花在衛(wèi)生福利上面”的輿論消失了，近年來(lái)印度經(jīng)濟(jì)處于下行通道的嚴(yán)峻時(shí)期，有助于帶動(dòng)印度經(jīng)濟(jì)和自信心的恢復(fù)；在國(guó)際政治方面，改變了西方媒體對(duì)印度航天一直唱衰的態(tài)度，并為印度爭(zhēng)取成為聯(lián)合國(guó)安理會(huì)常任理事國(guó)再添砝碼。

2 任務(wù)成功因素分析

此次探測(cè)任務(wù)分為發(fā)射、地球軌道機(jī)動(dòng)、火星轉(zhuǎn)移軌道、進(jìn)入火星軌道和在軌工作5個(gè)階段，整個(gè)工程能夠順利開展取決于多方面的因素。

航天研究機(jī)構(gòu)對(duì)太空發(fā)展計(jì)劃的有效部署

1972年，印度成立了太空委員會(huì)（SC）和太空部（DOS）。太空委員會(huì)負(fù)責(zé)印度太空活動(dòng)的政策起草和科研項(xiàng)目監(jiān)管，并帶來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益；太空部所屬的印度空間研究組織擁有專門負(fù)責(zé)研究太空發(fā)展計(jì)劃的太空科學(xué)咨詢委員會(huì)（ADCOS），該部門將印度第11個(gè)5年計(jì)劃（2007－2012年）中的太空科學(xué)發(fā)展重點(diǎn)聚集于5個(gè)方面：地外行星探測(cè)、天文與天體物理研究、太空天氣、地球天氣與氣候，開展了多項(xiàng)新太空任務(wù)，包括火星探測(cè)器、月球探測(cè)器、小行星探測(cè)器、彗星飛略與外太陽(yáng)系探索等任務(wù)?！笆晃濉逼陂g開展研制的“曼加里安”、月船－2、天文衛(wèi)星－1（Astrosat－1），阿迪亞－1（Aditya－1）等深空探測(cè)項(xiàng)目，預(yù)計(jì)相繼在國(guó)家第12個(gè)5年計(jì)劃中實(shí)現(xiàn)。

利用靈活而可靠的“極軌衛(wèi)星運(yùn)載火箭”

裝配中的月船－1

“極軌衛(wèi)星運(yùn)載火箭”（PSLV）主要用于發(fā)射太陽(yáng)同步軌道及近地軌道衛(wèi)星，可同時(shí)服務(wù)于印度政府的科研、民用與軍用任務(wù)，也可服務(wù)于國(guó)外多樣化的商業(yè)客戶，并可實(shí)現(xiàn)“一箭多星”發(fā)射。火箭二子級(jí)和四子級(jí)采用液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，一子級(jí)、三子級(jí)以及助推器采用固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。在2014年8月之前，“極軌衛(wèi)星運(yùn)載火箭”共發(fā)射了27次，除了1993年9月首次發(fā)射失敗之外，其余26次均已成功，在有效載荷靈活性的基礎(chǔ)上兼具高可靠性。

經(jīng)驗(yàn)證的探測(cè)器技術(shù)

“曼加里安”任務(wù)雖然是印度首次進(jìn)行的地月外星際任務(wù)，但采用了印度月船－1月球探測(cè)器等任務(wù)的成熟技術(shù)，并由月船－1改裝而來(lái)，質(zhì)量為1350kg，其中燃料部分為852kg。探測(cè)器主體結(jié)構(gòu)仍由印度斯坦航空有限公司（HAL）研制，印度空間研究組織繼續(xù)負(fù)責(zé)進(jìn)行探測(cè)器主發(fā)動(dòng)機(jī)的地面試驗(yàn)工作，并集成有效載荷。

最簡(jiǎn)化的有效載荷功能

經(jīng)過研究，太空科學(xué)咨詢委員會(huì)將“曼加里安”的有效載荷數(shù)量從33個(gè)減少到9個(gè)，最后確定為5個(gè)，其質(zhì)量?jī)H約15kg。這一數(shù)字遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于美國(guó)“火星大氣與揮發(fā)物演變”（Maven）火星探測(cè)器的載荷質(zhì)量，使得探測(cè)器的體積最小化，提升了任務(wù)的可靠性。雖然“曼加里安”在科學(xué)功能方面弱于美國(guó)火星探測(cè)器，但其有效載荷可以完成火星大氣、粒子環(huán)境研究、表面成像這三類主要研究工作。

“曼加里安”發(fā)回的火星表面照片

其上的“火星大氣層成分探測(cè)器”（MENCA）由印度空間研究組織的維克拉姆薩拉巴伊航天中心（VSSC）提供，其余由印度空間研究組織航天應(yīng)用中心提供。

可靠而廣泛分布的自建測(cè)控網(wǎng)絡(luò)

在地球軌道階段，印度空間研究組織遙測(cè)、跟蹤、指揮網(wǎng)（ISTRAC）地面網(wǎng)絡(luò)實(shí)施遙測(cè)、跟蹤與控制（TT&C），負(fù)責(zé)印度所有的近地軌道衛(wèi)星以及星際任務(wù)的運(yùn)營(yíng)與保障。在印度國(guó)內(nèi)的站點(diǎn)位于印度的班加羅爾、布萊爾港、特里凡得瑯，在國(guó)外的站點(diǎn)包括毛里求斯、文萊以及印度尼西亞比亞克島。印度S頻段兩艘輪船監(jiān)測(cè)站，位于南太平洋上，分別搭載了4.6m和1.8m天線，監(jiān)測(cè)“極軌衛(wèi)星運(yùn)載火箭”與飛船分離動(dòng)作。

印度深空通信網(wǎng)（IDSN）建于班加羅爾附近的Bylalu，由印度工業(yè)部門建立，擁有11m、18m和32m天線。“曼加里安”作深空飛行時(shí)使用X頻段進(jìn)行高速率上行與下行鏈路傳輸探測(cè)器與有效載荷數(shù)據(jù)，上行鏈路功率20kW，曾在月船－1探月工程中執(zhí)行過跟蹤任務(wù)。

在自建測(cè)控網(wǎng)執(zhí)行任務(wù)的同時(shí)，美國(guó)航空航天局/美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（NASA/JPL）的深空通信網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)位于美國(guó)戈德斯登、澳大利亞堪培拉、西班牙馬德里，擁有34m與70m天線工作網(wǎng)絡(luò)，功率為200kW，也為“曼加里安”提供了通信與導(dǎo)航支持。

3 成本控制因素分析

據(jù)媒體報(bào)道，印度此次任務(wù)成本為45億盧比（約合4.52億元人民幣，7400萬(wàn)美元），僅相當(dāng)于一架大型客機(jī)的造價(jià)，大約是美國(guó)“火星大氣與揮發(fā)物演化任務(wù)”火星計(jì)劃花費(fèi)的1/10（6.71億美元，約合人民幣41.16億元）。其原因主要體現(xiàn)在以下幾方面。

實(shí)施全面預(yù)算制度，有效控制任務(wù)成本

印度空間研究組織負(fù)責(zé)印度航天發(fā)展的全面預(yù)算計(jì)劃和管理執(zhí)行，包括：運(yùn)載火箭（研制半低溫發(fā)動(dòng)機(jī)、科研單位、火箭研制）、衛(wèi)星（衛(wèi)星研制、試驗(yàn)室、通信與探測(cè)網(wǎng)絡(luò)等）、空間科學(xué)技術(shù)（月船－1月球探測(cè)、“曼加里安”火星探測(cè)等）、空間應(yīng)用技術(shù)、管理機(jī)構(gòu)、服務(wù)運(yùn)營(yíng)等，均納入預(yù)算范圍，確保任何一項(xiàng)任務(wù)成本得到控制。

根據(jù)印度空間研究組織制定并全面公開的太空發(fā)展預(yù)算，此次火星探火任務(wù)工程總預(yù)算是4.52億元人民幣。2012年、2013年“曼加里安”組裝、集成和試驗(yàn)的預(yù)算共計(jì)2.925億元人民幣。根據(jù)印度空間研究組織在2013年的預(yù)算數(shù)據(jù)，初步計(jì)算出極軌衛(wèi)星運(yùn)載火箭－C25發(fā)射成本為1.8億元人民幣左右，與探測(cè)器成本相加共計(jì)4.625億元人民幣，與預(yù)算數(shù)據(jù)基本相同?？梢钥闯?，通過提前制訂的公開預(yù)算，能夠促進(jìn)對(duì)任務(wù)成本的有效控制。

使用本國(guó)技術(shù)和元器件，降低產(chǎn)品配套成本

印度太空部致力于本國(guó)工業(yè)部門參與航天研制與發(fā)展計(jì)劃，目前已有超過500家大、中、小型工業(yè)部門參與硬件生產(chǎn)與軟件開發(fā)等服務(wù)，生產(chǎn)制造一枚火箭的成本中有60%來(lái)自于印度工業(yè)部門，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”火星探測(cè)任務(wù)本著本國(guó)產(chǎn)品優(yōu)先采用的原則，使用的幾乎全部是印度本土開發(fā)和制造的價(jià)格較為便宜的產(chǎn)品，如有效載荷、測(cè)控網(wǎng)、探測(cè)器結(jié)構(gòu)等。

采用已有成熟技術(shù)，有效降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)

印度近年來(lái)大力開發(fā)多個(gè)大型航天工程，印度空間研究組織此次開展工程研制的原則是：盡最大可能采用現(xiàn)有成熟技術(shù)，不怕其陳舊，不追求單項(xiàng)技術(shù)的先進(jìn)；最大限度地用軟件模擬測(cè)試來(lái)替代實(shí)體模型；盡可能完善試驗(yàn)，優(yōu)化測(cè)試。這些原則使印度工程師沒有嘗試其他新方法的機(jī)會(huì)，從而降低了風(fēng)險(xiǎn)，提高了成效。但印度空間研究組織主席也表示，缺少創(chuàng)新是其工程迅速和高效背后存在的弊端。

人工成本占比低，研制團(tuán)隊(duì)規(guī)模小

在全球其他國(guó)家的空間項(xiàng)目預(yù)算成本構(gòu)成中，科學(xué)家和工程師的薪酬占有很大比重，而印度把人力成本控制在了預(yù)算的15%以下。一方面，參加此次印度探測(cè)火星任務(wù)的工程研制人員總共大約2500人，團(tuán)隊(duì)規(guī)模十分有限；另一方面，印度工程師的工資較低，一個(gè)中層人員的月薪約為10000元人民幣左右，而初級(jí)航天工程師的工資大約是每月6200元人民幣，還不到西方同類工程師的1/3。

4 任務(wù)成功帶來(lái)的啟示

科學(xué)合理地編制航天科研任務(wù)預(yù)算，并逐步實(shí)現(xiàn)透明化

印度航天與歐美航天發(fā)展具有一定的共同點(diǎn)，即在制定明確的大型航天工程計(jì)劃時(shí)，將計(jì)劃詳細(xì)分解為大量的子計(jì)劃，并明確每個(gè)子計(jì)劃的預(yù)算數(shù)額。所有信息都公開對(duì)外發(fā)布，并且針對(duì)預(yù)算或計(jì)劃未能如期完成的情況會(huì)說(shuō)明詳細(xì)原因。這在一定程度上約束了工程成本的支出，形成了有效的成本控制機(jī)制。任務(wù)預(yù)算與任務(wù)信息的透明化，將有助于更多的社會(huì)技術(shù)與資本參與航天工程，推動(dòng)項(xiàng)目快速高效發(fā)展。

在自主研制的基礎(chǔ)上開展國(guó)際合作，解決任務(wù)瓶頸問題

通過此次任務(wù)可以看出，印度自建的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)不僅分布于印度國(guó)內(nèi)，還在東南亞、非洲等地區(qū)的多個(gè)國(guó)家進(jìn)行了部署，這些觀測(cè)站在任務(wù)執(zhí)行過程中發(fā)揮了重要作用。與此同時(shí)，印度此次任務(wù)在發(fā)射測(cè)控和深空通信網(wǎng)絡(luò)方面都得到了美國(guó)先進(jìn)航天技術(shù)機(jī)構(gòu)的大力支持與保障。中國(guó)和印度目前都沒有建立完備的全球深空通信網(wǎng)絡(luò)，在自主研制原則下爭(zhēng)取必要的國(guó)際力量，可以為當(dāng)前和未來(lái)航天任務(wù)的成功提供重要保障。

從已有航天工程和項(xiàng)目中汲取經(jīng)驗(yàn)，充分挖掘技術(shù)與系統(tǒng)的繼承性潛力

印度空間研究組織在負(fù)責(zé)印度火星探測(cè)任務(wù)的同時(shí)，也是2008年印度探月工程的實(shí)施者。雖然月船－1探月任務(wù)僅僅執(zhí)行了312天，遠(yuǎn)未達(dá)到2年的預(yù)期目標(biāo)，但印度空間研究組織在高輻射環(huán)境對(duì)電子器件影響、熱管理系統(tǒng)、冗余的小型化傳感器等方面獲得了寶貴經(jīng)驗(yàn)?；谠麓?衛(wèi)星平臺(tái)，將月船－1改裝成“曼加里安”用于執(zhí)行火星任務(wù)。印度已完成的大型航天系統(tǒng)工程并不多，但此次火星探測(cè)充分利用了工程繼承與經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的雙重作用，實(shí)現(xiàn)了任務(wù)的快速完成和成本控制。

利用科學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，驗(yàn)證任務(wù)高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)和系統(tǒng)性能

印度在此次探火任務(wù)過程中，通過一種“技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)依賴結(jié)構(gòu)矩陣”（TR-DSM）識(shí)別出了具有若干高風(fēng)險(xiǎn)的開發(fā)組件與分系統(tǒng)，主要包括主發(fā)動(dòng)機(jī)、熱控系統(tǒng)、自主飛行軟件系統(tǒng)、深空通信、導(dǎo)航電子器件與傳感器；同時(shí)認(rèn)清了多項(xiàng)高難度技術(shù)問題，如與探測(cè)器進(jìn)行通信會(huì)有20min延遲，用300天時(shí)間進(jìn)入火星軌道時(shí)需要再次啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)等。因此，對(duì)于大型復(fù)雜的航天工程，充分利用先進(jìn)而科學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，將有助于工程經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)的積累。

組裝中的“曼加里安”

各國(guó)航天領(lǐng)域能力細(xì)分統(tǒng)計(jì)

客觀而清醒地看待各國(guó)航天實(shí)力的現(xiàn)狀，保持穩(wěn)健而自主的發(fā)展節(jié)奏

雖然印度探測(cè)器此次成功進(jìn)入火星軌道，成為亞洲火星探測(cè)的領(lǐng)先者，但各國(guó)航天發(fā)展情況與任務(wù)能力仍需客觀看待。

1）中、印兩國(guó)航天任務(wù)能力比較相近，都具備了基本能力，但尚未進(jìn)行過地球軌道空間站任務(wù)和小行星探測(cè)。

2）中國(guó)僅在火星探測(cè)任務(wù)方面落后于印度，其他方面具有優(yōu)勢(shì)，尤其是載人航天任務(wù)及其航天員隊(duì)伍方面，與印度相比優(yōu)勢(shì)非常突出。

3）目前中國(guó)是繼美國(guó)和俄羅斯之后能獨(dú)立掌握并實(shí)現(xiàn)載人航天的國(guó)家，而歐洲和日本主要依賴美國(guó)和俄羅斯，且成效尚顯不足。

4）印度在此次成功探測(cè)火星的基礎(chǔ)上，有可能依靠國(guó)內(nèi)政治推動(dòng)力和歐美國(guó)家先進(jìn)技術(shù)，大力發(fā)展載人航天。

5）深空通信能力成為中國(guó)開展深空探測(cè)的主要技術(shù)瓶頸，目前正在大力開發(fā)中，有待在未來(lái)發(fā)揮作用。

通過對(duì)比可知，針對(duì)印度此次探測(cè)火星任務(wù)，需要我們進(jìn)一步認(rèn)清嚴(yán)峻的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)與技術(shù)挑戰(zhàn)，充分挖掘現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展?jié)摿?，突破約束，爭(zhēng)取合作，建立以自主規(guī)劃、自主研制為基礎(chǔ)的深空探測(cè)發(fā)展路徑。

5 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，印度在航天領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步和快速的發(fā)展，并制定了多個(gè)宏偉的太空發(fā)展計(jì)劃，此次印度“曼加里安”成功入軌僅是其中之一。印度致力于突破各項(xiàng)任務(wù)挑戰(zhàn)，試圖打造在亞洲的航天大國(guó)優(yōu)勢(shì)，其發(fā)展路徑中的可取之處與技術(shù)態(tài)勢(shì)有必要進(jìn)一步深入研究，并給予高度關(guān)注。