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        印度將于2017年執(zhí)行第二次月球任務(wù)

        2014-12-25 02:28:58李虹琳中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院
        國際太空 2014年9期
        關(guān)鍵詞:印度研究

        李虹琳(中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院)

        印度2008年首次成功發(fā)射月船-1后,著手實施月船-2月球探測任務(wù),現(xiàn)計劃于2017年前后發(fā)射月船-2探測器。月船-2由軌道器、著陸器和月面巡視器組成,由印度獨(dú)立研發(fā)、印度空間研究組織(ISRO)負(fù)責(zé)管理,將采用印度地球靜止軌道衛(wèi)星運(yùn)載火箭(GSLV)發(fā)射。月船-2探測任務(wù)為期2年,預(yù)計成本約9000萬美元。

        1 任務(wù)背景和目標(biāo)

        印度在實施月船-1月球探測任務(wù)的同時,已著手開展月船-2任務(wù)。2007年11月12日,印度空間研究組織與俄羅斯聯(lián)邦航天局簽署了共同開發(fā)月船-2任務(wù)的協(xié)議;2008年9月18日,印度政府批準(zhǔn)了該項月球探測任務(wù)。按照該任務(wù)原定計劃,印度空間研究組織提供運(yùn)載火箭、軌道器和月面巡視器,俄羅斯聯(lián)邦航天局提供著陸器,2013年完成探測器的研制和發(fā)射。

        在月船-2任務(wù)實施期間,由于俄羅斯未能按時研發(fā)著陸器,使該任務(wù)不斷推遲。2012年,俄羅斯宣布“火衛(wèi)一-土壤”火星探測任務(wù)失敗,由于月船-2的著陸器采用了“火衛(wèi)一-土壤”探測器的部分技術(shù),因而俄羅斯聯(lián)邦航天局重新評估用于月船-2著陸器的相關(guān)技術(shù),并向印方提議修改技術(shù)方案以提高著陸器硬件的可靠性。修改方案將導(dǎo)致著陸器質(zhì)量增加,迫使印度空間研究組織在保證可靠性的前提下降低巡視器質(zhì)量,這一提議使月船-2任務(wù)的技術(shù)方案變動較大,印度未接受俄方提議。

        2012年5月,印度對自主研制月球著陸器開展了可行性研究,所得結(jié)論認(rèn)為印度能夠利用2~3年時間開發(fā)出月球著陸器,隨后印度空間研究組織對月船-2任務(wù)進(jìn)行了綜合評審。2013年8月14日,印度宣布停止與俄羅斯聯(lián)邦航天局原定的合作,確定自主完成第二次月球探測任務(wù)。

        月船-2工程目標(biāo)是驗證月面軟著陸能力及相關(guān)技術(shù)。月船-2科學(xué)目標(biāo)是分析月球的起源和演變;通過分析月球土壤/巖石了解月球的化學(xué)組成;分析月球大氣組成等。

        2 探測器介紹

        探測器平臺

        月船-2探測器發(fā)射質(zhì)量2650kg。探測器由軌道器艙和攜帶巡視器的著陸器艙兩部分組成,兩個艙段通過一個隱藏的艙段適配器進(jìn)行機(jī)械連接。

        月船-2軌道器的基本結(jié)構(gòu)與月船-1相似。軌道器是1.5m×1.5m×1.5m的立方體,發(fā)射質(zhì)量約1400kg,設(shè)計壽命2年,攜帶5臺科學(xué)有效載荷,其中3臺是新研制的設(shè)備,另外2臺是月船-1有效載荷的改進(jìn)型。與月船-1相比,月船-2增強(qiáng)了電子器件抗輻射加固和熱控系統(tǒng)的性能。

        月船-2軌道器構(gòu)形示意圖

        (1)著陸器

        月船-2著陸器和巡視器質(zhì)量共約1250kg。最初,月船-2著陸器是由俄羅斯與印度聯(lián)合開發(fā)。當(dāng)俄羅斯表示即使推遲到2015年也無力提供著陸器時,印度決定獨(dú)立開發(fā)著陸器。著陸器的設(shè)計和初步構(gòu)型研究已經(jīng)由印度空間研究組織的空間應(yīng)用中心(SAC)完成。著陸器將攜帶一套儀器用于研究著陸點(diǎn)的月球表面物質(zhì)的物理和化學(xué)特性。它既可以直接與地面站通信,也可通過軌道器與地面站通信,同時充當(dāng)巡視器的通信“樞紐”。

        (2)巡視器

        印度尚未公布巡視器的最后方案。月船-2巡視器質(zhì)量可能在30~100kg之間(質(zhì)量大小取決著陸方式等多項因素),設(shè)計壽命1個月,具有半自主導(dǎo)航和避障能力,由太陽能電池板提供電能,可對月壤或月巖樣品進(jìn)行原位化學(xué)分析,然后將分析數(shù)據(jù)傳送給軌道器,軌道器再將數(shù)據(jù)傳送給地面站。

        為確保巡視器安全移動和避障,月船-2巡視器將裝備行走系統(tǒng)、導(dǎo)航相機(jī)和控制系統(tǒng)等設(shè)備。巡視器裝有6個輪子,每個輪子均由獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動,其中4個輪子具有獨(dú)立轉(zhuǎn)向能力,共有10個電機(jī)用于牽引和轉(zhuǎn)向。巡視器在月面的移動控制由“動態(tài)牽引力控制系統(tǒng)”負(fù)責(zé),該系統(tǒng)通過控制巡視器4個輪子的獨(dú)立轉(zhuǎn)向裝置,確保巡視器能夠越過粗糙的月球面表;巡視器裝有多臺基于3D成像的立體相機(jī),用于為地面團(tuán)隊提供控制巡視器移動所需的周圍地表3D圖像。目前,位于坎普爾的印度技術(shù)學(xué)院(IIT)正在為巡視器開發(fā)用于移動的子系統(tǒng)。

        有效載荷

        月船-2攜帶的科學(xué)有效載荷由印度空間科學(xué)咨詢委員會主席、印度空間研究組織前主任U?R?拉奧領(lǐng)導(dǎo)的國家專家委員會確定,該委員會成員來自隸屬印度空間研究組織的研究中心,印度的科學(xué)研究機(jī)構(gòu)和研發(fā)實驗室。

        (1)軌道器攜帶的有效載荷

        月船-2軌道器將運(yùn)行在200km高的環(huán)月軌道,攜帶的有效載荷主要用于探測月球表面的形態(tài)、礦物質(zhì)及其化學(xué)特性、存在水冰的證據(jù)以及月球大氣成份等。攜帶的5個有效載荷分別是:

        地形繪圖相機(jī)(TMC-2)由印度空間研究組織空間應(yīng)用中心研制,該設(shè)備是月船-1所攜帶TMC-1的改進(jìn)型,用于繪制月表三維圖像,這對研究月球礦物質(zhì)和地質(zhì)學(xué)是必不可少的。

        成像紅外分光計(IIRS)由印度空間研究組織空間應(yīng)用中心研制,用于繪制月面圖。該設(shè)備工作的光譜范圍為0.8~5.0μm,空間分辨率為80m(幅寬40km),探測數(shù)據(jù)可用于對月球陰暗面的火山、玄武巖組成、盆地和局部地區(qū)地幔的異質(zhì)性進(jìn)行研究,并探測氫氧基和水分子的標(biāo)記。

        月船-2巡視器的構(gòu)型圖示意圖

        中性粒子質(zhì)譜儀-2示意圖

        合成孔徑雷達(dá)(SAR)由印度空間研究組織空間應(yīng)用中心研制,該設(shè)備運(yùn)行在L頻段(1.25GHz)和S頻段(2.0~2.2 GHz),可選擇2m、5m和10m分別率以及10km刈幅掃描,可采用圓形極化模式和線性偏振模式,用于探測月球亞表面層物質(zhì)及其成分,包括亞表面層的水冰。合成孔徑雷達(dá)被期望能夠提供證實月球陰影區(qū)存在水冰的證據(jù)。

        中性粒子質(zhì)譜儀(NIMS)由印度空間物理實驗室研制。中性粒子質(zhì)譜儀也稱錢德拉大氣成分探測儀-2(ChACE-2),是月船-1軌道器攜帶中性粒子質(zhì)譜儀的改進(jìn)型。該設(shè)備以四極質(zhì)譜學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)研制,工作范圍為1~300amu(原子質(zhì)量單位),功率小于30W,質(zhì)量低于4kg。主要用于研究月球稀薄大氣成分與環(huán)境,開展月球外大氣層的詳細(xì)研究。

        大區(qū)域軟X射線分光計(CLASS)由印度空間研究組織的衛(wèi)星中心和物理研究實驗室研制,采用硅漂移探測器(SDD),能量1~20kV,探測面積30mm2,功耗6W。主要用于探測月球表面的主要元素(包括鎂、鋁、硅、鈣、鈦、鐵等)及其分布情況,可提供來自月面極區(qū)標(biāo)稱空間分辨率為25km的元素豐度月脈圖。

        (2)著陸器攜帶的有效載荷

        目前,印度已基本確定的著陸器有效載荷包括月震儀和激光反射器。在考慮著陸器的質(zhì)量、體積和功率的限制后,再決定是否攜帶其他的科學(xué)有效載荷。

        (3)巡視器攜帶的有效載荷

        月船-2巡視器攜帶有2個科學(xué)有效載荷,用于對月表物質(zhì)進(jìn)行原位探測。

        阿爾法粒子誘導(dǎo)X射線分光計(APXS):由印度物理研究實驗室研制。該設(shè)備是用于天體元素分析的驗證儀器,NASA的“火星探測巡視器”(MER)和“火星科學(xué)實驗室”(MSL)曾經(jīng)采用此類設(shè)備對火星開展研究。月船-2月面巡視器攜帶的阿爾法粒子誘導(dǎo)X射線分光計由2個電子包組成,即傳感器頭部和后部電子器件,主要用于探測月表物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)。傳感器頭部的設(shè)備包括硅漂移二極管、6個阿爾法源、X射線測量裝置和安裝在巡視器機(jī)械臂上的前段電子電路等。該設(shè)備通過阿爾法粒子激發(fā)X射線和次級輻射,之后測量從樣本中發(fā)出的特性X射線,從而分析樣品的性質(zhì)。

        激光誘導(dǎo)擊穿分光鏡(LIBS):由光電系統(tǒng)實驗室建造,該設(shè)備通過發(fā)射激光脈沖探測和分析遠(yuǎn)處的物質(zhì),如用于極地中風(fēng)化層含水量的測定。

        激光誘導(dǎo)擊穿分光鏡

        月船-2任務(wù)飛行方案

        3 任務(wù)飛行方案和著陸區(qū)選擇

        任務(wù)飛行方案

        月船-2探測器由地球靜止軌道衛(wèi)星運(yùn)載火箭MK-2(GSLV Mk-2)送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道,隨后通過軌道器攜帶的發(fā)動機(jī)提升軌道,最終進(jìn)入奔月軌道(LTT)。在奔月過程中,月船-2軌道器與著陸器(攜帶巡視器)分離,二者獨(dú)自向月球飛行,并分別被月球捕獲,進(jìn)入月球極軌道。軌道器最初運(yùn)行于5000km×200km的橢圓形極軌道,而著陸器攜帶巡視器下降到月球表面。著陸器實現(xiàn)月表著陸后,帶有機(jī)械臂和科學(xué)探測設(shè)備的巡視器將被釋放到月球表面。隨后,著陸器與巡視器開始工作,而軌道器將運(yùn)行于200km的圓形軌道上。

        著陸區(qū)選擇

        目前,印度尚未公布確切的著陸區(qū),但從科學(xué)探測角度考慮,預(yù)計著陸區(qū)將優(yōu)先考慮高緯度位置。根據(jù)美國航空航天局月球勘察軌道器(LRO)和日本“月女神”軌道器提供的數(shù)據(jù),俄羅斯為印度確定了月球南極附近的2個備選著陸區(qū)。主著陸點(diǎn):87.2°(S)、68°(E),休梅克;備用著陸點(diǎn):87.2°(S)、68°(E),格拉克。但不排除印度對著陸區(qū)進(jìn)行重新選擇。

        4 運(yùn)載火箭

        月船-2任務(wù)將采用印度自主研制的地球靜止軌道衛(wèi)星運(yùn)載火箭Mk-2運(yùn)載火箭發(fā)射。該火箭為三級運(yùn)載火箭,高49m,起飛質(zhì)量414t,起飛推力為6573kN,有效載荷整流罩最大直徑3.4m,可將2~2.5t的衛(wèi)星送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道?;鸺患売蒘-125芯級固體助推器和4臺液體捆綁助推器組成;二級采用可貯存液體推進(jìn)劑發(fā)動機(jī);三級采用液氫/液氧發(fā)動機(jī)。

        5 結(jié)語

        2008年成功實施首次月球探測任務(wù)之后,印度提出了包括對火星、金星、小行星與彗星實施探測的航天發(fā)展規(guī)劃。2013年11月5日,印度“火星船”任務(wù)成功發(fā)射,目前正在飛往火星的途中,這使印度在深空探測領(lǐng)域又向前邁進(jìn)了一步。此次提出的月船-2探測任務(wù),以月船-1任務(wù)為基礎(chǔ),主要驗證印度實現(xiàn)月球軟著陸的能力,為今后印度月球及其他行星探測任務(wù)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

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