張揚眉（北京空間科技信息研究所）

印度標準時間2019年9月7日01:38（北京時間2019年9月7日04:08），印度月船－2（Chandrayaan－2）探測器攜帶的“維克拉姆”（Vikram）著陸器開始進入動力下降階段，嘗試進行月球表面軟著陸，但在距離月面約2.1km處失去聯(lián)系。目前，印度稱已經(jīng)利用軌道器完成了對著陸器的定位和熱成像，還在嘗試與其建立通信連接。但由于失聯(lián)時高度和速度較高，著陸器撞擊月球表面的速度至少為每秒數(shù)十米，恐已完全墜毀，印度的首次落月嘗試以失利告終。

1 月船－2著陸事故相關(guān)情況

著陸事故詳情

印度標準時間2019年9月7日01:38，“維克拉姆”著陸器進入最終的15min動力下降階段，但約13min后在距離月球表面2.1km處，“維克拉姆”與地面失去聯(lián)系。

來自印度空間研究組織（ISRO）的現(xiàn)場直播顯示，著陸器按計劃從36km×110km軌道下降至距離月表6km以下高度處，已經(jīng)進入精確制動階段。之后，說明著陸器下降軌跡的畫面在抵達月面前停止。幾分鐘的沉默之后，ISRO主席斯萬（Sivan）宣布與著陸器的通信丟失。斯萬稱著陸器下降過程按照計劃進行，直到2.1km高度處性能都保持正常，但之后著陸器與地面失去了聯(lián)系，目前正在分析數(shù)據(jù)。

ISRO在月船－2著陸后發(fā)布消息，稱月船－2是一項高度復(fù)雜的任務(wù)，目前軌道器正在既定軌道上運行并將開展長達7年的探測活動，其攜帶的相機是目前探月任務(wù)中分辨率最高的（0.3m）；“維克拉姆”著陸器順利完成從35～2km的下降，失聯(lián)前系統(tǒng)工作正常，證明了包括變推力發(fā)動機技術(shù)在內(nèi)的大量新技術(shù)。成功標準是針對任務(wù)的每個階段確定的，直到目前月船－2任務(wù)已經(jīng)完成了90%～95%的目標，并將繼續(xù)為月球科學(xué)做出貢獻。

ISRO正在對相關(guān)通信數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)進行分析，以找出著陸器通信突然中斷的原因，后續(xù)詳情有待公布。9月8日，斯萬再度發(fā)表聲明，稱ISRO已經(jīng)確定失聯(lián)的著陸器位置，并獲取了著陸器的熱成像圖，但現(xiàn)階段仍無法掌握其實際運行狀態(tài)，且依然無法與著陸器建立通信連接。

即將發(fā)射的地球同步軌道衛(wèi)星運載火箭—Mk3

任務(wù)飛行歷程

印度標準時間2019年7月22日14:43，月船－2探測器在薩迪什·達萬航天中心（SDSC）搭乘地球同步軌道衛(wèi)星運載火箭－Mk3（GSLV－Mk3）成功發(fā)射，與火箭分離后進入約170km×40000km的停泊軌道。隨后，通過多次機動，于8月14日進入月球轉(zhuǎn)移軌道。

8月20日，月船－2實施月球軌道插入進動，進入月球大橢圓軌道。之后，月船－2通過4次軌道機動，于9月1日進入119km×127km的月球軌道。

9月2日，“維克拉姆”著陸器與軌道器分離，并分別于9月3日和4日實施兩次軌道機動，進入36km×110km的軌道，軌道器則繼續(xù)停留在約100km高的軌道上運行。9月7日，著陸器開始登月嘗試。

計劃著陸過程

按計劃，“維克拉姆”著陸器將于9月7日利用反推發(fā)動機實施持續(xù)15min的動力下降，按照預(yù)先編程的下降序列，其標稱著陸過程：著陸器攜帶的4個可變推力液體燃料發(fā)動機點火11min，將著陸器降低至距月面7.4km的高度，完成“粗略制動階段”并進入“精確制動階段”；之后啟用激光高度計和危險規(guī)避相機對月面進行掃描，為著陸器的導(dǎo)航計算機提供輸入，以控制下降速率；在抵達距月面100m高時，著陸器將進行短暫懸停，在其敏感器確認著陸地點安全、平整且沒有障礙物之后，進入最終著陸階段；在距月面13m高時，著陸器的中心發(fā)動機將點火，以控制著陸的最后幾秒，這項措施旨在減少著陸器在著陸時濺起的月球塵埃。

著陸地點位于月球71°（S）的曼濟納斯C（Manzinus C）與辛普路斯N（Simpelius N）環(huán)形山之間的高原上，該地點距離南極艾特肯盆地（Aitken basin）約350km。著陸器有兩個可選著陸點，即首選著陸地點（SLS54，70.90267S，22.78110E）和備選著陸地點（ALS01，67.874064S，18.46947W），著陸橢圓為15km×8km。著陸后，月球車駛出，在月球表面進行1個月晝的探測。

月船－2飛行軌跡圖

2 任務(wù)背景

早在2007年11月，印度ISRO與原俄羅斯聯(lián)邦航天局（ROSCOSMOS，現(xiàn)俄羅斯航天國家集團）就簽署了月船－2項目的合作協(xié)議。根據(jù)該協(xié)議，印度將負責(zé)研制月船－2軌道器和月球車，俄羅斯則負責(zé)提供著陸器。

自印度首個月球探測器—月船－1于2008年10月發(fā)射以來，印度繼續(xù)致力于新的月球探測任務(wù)的研發(fā)，原計劃于2014年發(fā)射月船－2，但因2011年俄羅斯“福布斯-土壤”（Phobos-Grunt）任務(wù)發(fā)射失利，俄羅斯從2012年開始對在研的所有空間探測項目進行重新審查與改進，因此月船－2的發(fā)射時間被延遲至2016－2017年。此外，俄羅斯還表示在2015年前都無法向印度交付著陸器。為此，2013年8月，印度宣布獨立實施月船－2任務(wù)，自行研制軌道器、著陸器和月球車。

鑒于印度第二次探月任務(wù)的推遲已不可避免，印度當(dāng)時將研發(fā)隊伍、時間與資源投入到火星探測器的研制上，并于2013年11月成功發(fā)射了“曼加里安”（Mangalyaan）火星軌道器，目前其仍在軌運行。

之后，在月船－2的研制過程中，印度又數(shù)次推遲了發(fā)射時間。2019年6月12日，印度正式宣布將于7月15日前發(fā)射月船－2，并預(yù)計于9月6日著陸月球表面。

3 任務(wù)目標

印度于2008年發(fā)射的月船－1任務(wù)，通過美國國家航空航天局（NASA）提供的月球礦物學(xué)繪制儀（M3）和ISRO研制的月球撞擊探測器（MIP），在月球南極表面的永久陰影區(qū)域發(fā)現(xiàn)了水。

月船－2任務(wù)的探測目標

月船－2任務(wù)將進一步確認月船－1的上述科學(xué)發(fā)現(xiàn)，在月球南極附近區(qū)域軟著陸并進行巡視探測，探測月球地形、礦物分布、元素豐度、月球外大氣層、水冰等。軌道器將繪制月球表面地圖，研究月球南極水冰的情況以及月壤厚度等。月船－2的主要任務(wù)目標如下：

1）實現(xiàn)印度月球探測器在月面特定地點的軟著陸，實現(xiàn)月面巡視探測，在月面分析月壤樣品化學(xué)成分，研究月球的起源和演化；

2）通過軌道器上攜帶的比月船－1更為先進的科學(xué)載荷，增強月球科學(xué)數(shù)據(jù)獲取能力，以及對月船－1的觀測數(shù)據(jù)進行核實和驗證；

3）通過月船－2任務(wù)的實施驗證多項新技術(shù)，包括未來月球采樣返回任務(wù)所需的技術(shù)和用于未來行星探測任務(wù)的技術(shù)。

月船－2探測器巡航構(gòu)型圖

4 系統(tǒng)組成

月船－2由軌道器、“維克拉姆”著陸器和“普拉里安”（Pragyan）月球車組成，發(fā)射質(zhì)量為3850kg，總干質(zhì)量1308kg，尺寸3.1m×3.1m×5.8m。其中，軌道器發(fā)射質(zhì)量2379kg，著陸器發(fā)射質(zhì)量1471kg（包括27kg的月球車）。整個月船－2探測器由印度自主研發(fā)。截至2019年6月底，印度宣稱月船－2項目成本為1.41億美元（97.8億盧比），其中包括0.54億美元（37.5億盧比）的發(fā)射費用。

軌道器

月船－2軌道器的基本結(jié)構(gòu)與月船－1相似，干質(zhì)量682kg，燃料質(zhì)量1697kg，尺寸3.2m×5.8m×2.1m。三軸穩(wěn)定，主推進采用雙組元推進系統(tǒng)。電源采用單太陽電池翼，電源功率為1000W。通信采用X/S頻段，裝備X頻段拋物面天線。軌道器可與印度深空網(wǎng)和著陸器進行通信。軌道器將在高100km的月球極軌道上運行，設(shè)計壽命為1年（目前ISRO宣布將軌道器工作時間延長到7年）。

月船－2軌道器

月船－2月球車“普拉里安”

月船－2著陸器“維克拉姆”

月船－2月球車結(jié)構(gòu)圖

著陸器

月船－2著陸器被命名為“維克拉姆”，以紀念1971年去世的、被贊譽為“印度航天計劃之父”的科學(xué)家維克拉姆·薩拉巴伊（Vikram Sarabhai）。著陸器為梯形六面體結(jié)構(gòu)，干質(zhì)量626kg，燃料質(zhì)量845kg，尺寸2.54m×2m×1.2m，帶有4個著陸支架腿，設(shè)計壽命為1個月晝（14個地球日）。著陸器配備5個800N主發(fā)動機和8個用于姿態(tài)控制的50N推力器。太陽電池陣功率為650W。著陸器可與印度深空網(wǎng)、軌道器和月球車進行通信。

月球車

月船－2攜帶的月球車被命名為“普拉里安”，在梵語中意為“智慧”。發(fā)射質(zhì)量27kg，尺寸0.9m×0.75m×0.85m，電源功率50W。六輪移動底盤結(jié)構(gòu)，其中4個輪子具有獨立轉(zhuǎn)向能力。月球車采用太陽電池陣供電，裝備了移動行走系統(tǒng)、導(dǎo)航相機和控制系統(tǒng)。月球車的行駛速度約1cm/s，將在月面工作1個月晝（14個地球日），計劃行駛約500m。月球車可直接與著陸器進行通信。

月船－2研究團隊為月球車開發(fā)了3個關(guān)鍵子系統(tǒng)，一是基于3D成像的立體相機系統(tǒng)，用于為地面操控人員提供控制月球車移動所需的周圍地表3D圖像；二是“動態(tài)牽引力控制系統(tǒng)”，通過控制月球車4個輪子的獨立轉(zhuǎn)向裝置，確保月球車能夠穿越粗糙的月球表面；三是月球車控制及電機系統(tǒng)，6個輪子均由獨立的電機驅(qū)動，其中4個輪子具有獨立轉(zhuǎn)向能力，共有10個電機用于牽引和轉(zhuǎn)向。

有效載荷

月船－2一共攜帶了13種有效載荷，將對月球南極附近區(qū)域的地形、礦物分布、月壤組成、月震活動、月球大氣、月球電離層等進行全方位的探測。此外，還將進一步尋找水冰。

軌道器攜帶了8種有效載荷：地形測繪相機－2、月船－2大面積軟X射線光譜儀、太陽X射線監(jiān)測儀、紅外成像光譜儀、雙頻段合成孔徑雷達、軌道器高分辨率相機、月船－2大氣成分探測器－2、雙頻無線電實驗，其中兩種是在月船－1上飛行過的儀器的改進版。軌道器攜帶的高分辨率相機將在軌道器與著陸器分離前對預(yù)定的著陸區(qū)域進行高分辨率成像。

著陸器攜帶了3種有效載荷：月球邊界超靈敏電離層和大氣無線電分析、月船－2表面熱物理學(xué)實驗、月震活動監(jiān)測儀。此外，著陸器還攜帶了由美國NASA提供的激光后向反射器陣列（LRA），用于地月系統(tǒng)動力學(xué)和月球內(nèi)部的被動實驗研究。

月球車攜帶了2種有效載荷：α粒子X射線分光計、激光誘導(dǎo)分解分光鏡。

5 月船－2著陸失利原因淺析

月船－2任務(wù)在著陸過程中失聯(lián)，很有可能已經(jīng)墜毀于月球表面。一些文章分析稱，著陸器在著陸過程中失聯(lián)的可能原因是安裝在著陸器一側(cè)的4個小型轉(zhuǎn)向發(fā)動機突然失靈并全部停止工作，導(dǎo)致著陸器無法保持正常姿態(tài)。著陸器如果失聯(lián)后無法保持預(yù)定姿態(tài)，將導(dǎo)致著陸器高速撞擊月球表面，大概率將會墜毀，但ISRO尚未明確給出任務(wù)失利或探測器墜毀的公告，僅稱著陸器失聯(lián)，以弱化事故。ISRO正在開展失聯(lián)原因的調(diào)查，并且嘗試與其重新建立聯(lián)系。

在官方公布事故原因前，無法獲知具體事故的原因，但可以從當(dāng)前獲取的一些信息中探析這次著陸事故的可能影響因素，包括著陸任務(wù)難度大、任務(wù)可靠性低，以及推進系統(tǒng)能力不足等。

月球軟著陸難度大、成功率低

盡管月球軟著陸不及火星軟著陸的難度大，但在短短10余分鐘內(nèi)從數(shù)十千米高度安全降落到月球預(yù)選著陸區(qū)，在通信延遲的情況下對于自主控制方面有很高的要求，是當(dāng)前深空探測任務(wù)中難度極大的一步。月球軟著陸過程中，每一個技術(shù)環(huán)節(jié)都不能出現(xiàn)分毫偏差，要實時測量探測器運動的速度、高度，并隨時進行調(diào)整。月面的地形地貌也非常復(fù)雜，探測器必須自主尋找安全的著陸點等。斯萬稱月船－2是“ISRO有史以來實施的最為復(fù)雜的航天任務(wù)”，并將其最終的動力下降階段稱為“恐怖15分鐘”。

蘇聯(lián)和美國在首次成功著陸月球前也經(jīng)歷了多次失敗。在國外實施的月球軟著陸、巡視和采樣返回任務(wù)中，蘇聯(lián)共實施了29次月球軟著陸任務(wù)，完全成功僅7次，成功率僅為24.1%，大部分任務(wù)在發(fā)射和飛行過程中即遭失敗，5次任務(wù)在著陸過程中由于反推發(fā)動機過早關(guān)機、通信系統(tǒng)故障等原因而遭遇失敗。美國共實施7次月球軟著陸任務(wù)，完全成功5次，其勘測者－2（Surveyor－2）在中途修正過程中，游標發(fā)動機點火失敗導(dǎo)致推力不均勻，造成探測器顛簸，最終與地球失去聯(lián)系并墜毀于月球；而勘測者－4在著陸前3分鐘遙測信號突然中斷，最終撞擊月球墜毀。

任務(wù)均忽視科學(xué)探測而強調(diào)政治目的，獲得成果較少

印度深空探測任務(wù)以追求政治目的為主，過度強調(diào)工程目標的達成，而忽略科學(xué)目標。例如，“曼加里安”以實現(xiàn)印度首次火星環(huán)繞探測的工程目標為主，不重視科學(xué)目標，只攜帶了象征意義的15kg有效載荷，節(jié)省了在有效載荷研發(fā)上的高昂成本，也降低了整個探測器的質(zhì)量和性能要求，加快了研制進度，大幅降低了任務(wù)成本，然而對火星科學(xué)探測的貢獻相當(dāng)有限。從效費比的角度看，該任務(wù)雖然成功，但也并不“便宜”。印度已經(jīng)實施的月船－1和“曼加里安”，除實現(xiàn)了印度首次月球和火星探測之外，并未獲得引人關(guān)注的科學(xué)探測成果。月船－2同樣強調(diào)一次實現(xiàn)“繞、落、巡”的工程目標，且一直被印度總理莫迪作為推動經(jīng)濟改革、謀求連任的有力籌碼之一，政治意圖明顯。月船－2的著陸器和月球車僅能在月面工作1個月晝，其科學(xué)探測能力有限。

為實現(xiàn)低成本而舍棄對高可靠性的追求，任務(wù)風(fēng)險較大

傳統(tǒng)的政府航天任務(wù)可接受的風(fēng)險極低，對可靠性的要求很高，往往探測器具備冗余系統(tǒng)并經(jīng)過多輪地面測試，以保證高可靠性，進而增加了任務(wù)成本。

而印度以最低的成本完成深空探測任務(wù)，不惜以犧牲冗余度和可靠性為代價。印度開展的3次深空探測任務(wù)成本均遠低于世界平均水平，其中月船－1總成本1億美元，月船－2總成本1.41億美元，“曼加里安”總成本7400萬美元。對比技術(shù)能力更強的美國，2000年以后開展的數(shù)次月球環(huán)繞探測任務(wù)，總成本均在2億～5億美元，與“曼加里安”同期開展的“火星大氣與揮發(fā)物演變”（MAVEN）火星軌道器任務(wù)成本為6.71億美元。但深究其節(jié)省成本的原因可以發(fā)現(xiàn)，印度實施低成本深空探測任務(wù)是以犧牲科學(xué)探測目標和任務(wù)可靠性等為代價的。例如，“曼加里安”任務(wù)在研發(fā)過程中簡化了試驗流程，節(jié)省了研制費用，加快了研制進度，但大幅度增加了任務(wù)的風(fēng)險；月船－1探測器雖然成功實現(xiàn)繞月探測，但探測器可靠性較低，原計劃執(zhí)行為期2年的任務(wù)，實際僅在軌運行約300天，就因故障與地面失去聯(lián)系。此外，2019年4月在月面墜毀的以色列“創(chuàng)世紀”（Beresheet）月球著陸器，也是為降低項目成本（總成本約1億美元）采取了低投入模式，犧牲了探測器性能、有效載荷能力，以及系統(tǒng)可靠性等對深空探測任務(wù)意義重大的關(guān)鍵要素，探測器僅能在月面生存約2天，同時幾乎所有的星上設(shè)備都沒有備份，一旦出現(xiàn)故障將導(dǎo)致整個任務(wù)失利。最終，“創(chuàng)世紀”在著陸過程中因主發(fā)動機故障在月球表面墜毀。

忽略深空探測任務(wù)的技術(shù)牽引作用，技術(shù)基礎(chǔ)薄弱

深空探測任務(wù)的重大效益之一是可以引領(lǐng)國內(nèi)前沿高新技術(shù)的跨越式發(fā)展，鼓勵科技創(chuàng)新，推動航天運載、通信、遙測、材料、能源、高端裝備制造等技術(shù)的快速發(fā)展，并以高新技術(shù)推動經(jīng)濟發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟和社會效益。美國始終在科學(xué)探測方面保持高投入，不僅因為其高度重視科學(xué)探測意義和政治影響，更是因為看重前沿任務(wù)帶來的技術(shù)牽引作用。至今，美國仍在享受“阿波羅”（Apollo）計劃帶來的效益，而不惜花費近百億美元的資金建造“詹姆斯-韋伯空間望遠鏡”（JWST），也是其重視相關(guān)光學(xué)觀測技術(shù)發(fā)展的體現(xiàn)。而印度在實施深空探測任務(wù)的過程中，為壓縮成本，不注重引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展，月船－2軌道器是在原有通信衛(wèi)星平臺基礎(chǔ)上改進而來，深空通信則借助于美歐深空通信網(wǎng)的能力，并且月船－2任務(wù)也沒有發(fā)展出大推力可變推力發(fā)動機。由于缺少大推力可變推力發(fā)動機，月船－2著陸器攜帶了5個800N的可變推力發(fā)動機，也在一定程度上降低了任務(wù)的可靠性。印度前兩次深空探測任務(wù)的實施也并未帶來相關(guān)前沿技術(shù)的快速發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施的建立。

此外，關(guān)于具體失敗原因，有推測是反推發(fā)動機推力控制失靈，也有推測是姿控發(fā)動機失控，引發(fā)了姿態(tài)翻轉(zhuǎn)，造成了著陸器失聯(lián)，真實原因只能等待官方的調(diào)查結(jié)果。但此次月船－2著陸器失聯(lián)，不論是反推發(fā)動機還是姿控發(fā)動機失控造成姿態(tài)翻滾，亦或是其他原因，都可以歸結(jié)為其技術(shù)能力不足且在任務(wù)可靠性方面重視不夠，過分追求任務(wù)低成本而引發(fā)的，值得我們引以為戒。