張揚(yáng)眉 蔣一雄

（1 北京空間科技信息研究所 2 中國空間技術(shù)研究院）

2023年8月23日20:34，印度月船－3（Chandrayaan－3）探測器成功在月球南緯69.37°、東經(jīng)32.35°附近區(qū)域著陸，印度成為繼蘇聯(lián)、美國和中國之后，第四個(gè)在月球表面成功著陸的國家。在歷經(jīng)四年前月船－2著陸失敗的挫折后，月船－3著陸終獲成功，印度自此進(jìn)入“月球著陸俱樂部”，這極大地增強(qiáng)了印度人民的自豪感和自信心，對提升印度的國家影響力具有重要意義，印度總理莫迪稱這是“新印度勝利的吶喊”。月船－3著陸月球后，印度空間研究組織（ISRO）通過社交媒體宣布，智慧號（Pragyan）月球車從著陸器中駛出，探測器所有系統(tǒng)正常。9月3日，ISRO宣布智慧號月球車已完成主要任務(wù)，行駛距離超過100m，將進(jìn)入休眠狀態(tài)并等待下一次喚醒。

1 基本情況

月船－3是印度第三次月球探測任務(wù)，于2023年7月14日搭乘“運(yùn)載火箭M3”（LVM3）（以前被稱為GSLV-MK3）發(fā)射，任務(wù)目標(biāo)是演示驗(yàn)證月球表面軟著陸技術(shù)與月球車巡視技術(shù)，并進(jìn)行原位科學(xué)探測和實(shí)驗(yàn)，研究月球土壤和水冰等。

月船－3探測器由ISRO研制，總質(zhì)量約3900kg。探測器由推進(jìn)模塊（PM）和月球模塊（LM）組成。其中，月球模塊包括一個(gè)著陸器和一輛月球車。月船－3并未像月船－2那樣包含軌道器，而是采用一個(gè)推進(jìn)模塊替代軌道器的功能，并可用于中繼通信。

月船－3探測器

推進(jìn)模塊：箱狀結(jié)構(gòu)，基于I－3K改進(jìn)版平臺(tái)，質(zhì)量2145.01kg，干質(zhì)量448.62kg，推進(jìn)劑質(zhì)量1696.39kg，功率758W，一側(cè)安裝有一個(gè)大型太陽能電池陣，頂部有一個(gè)大圓柱體以及模塊間適配器錐體，主發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴位于底部。推進(jìn)采用MMH和MON－3雙組元推進(jìn)系統(tǒng)，通信采用S頻段轉(zhuǎn)發(fā)器。推進(jìn)模塊主要用于與著陸器和月球車的中繼通信，此外還攜帶“宜居行星地球的光譜極性測量”（SHAPE）實(shí)驗(yàn)裝置，從月球軌道對地球進(jìn)行光譜和偏振測量，計(jì)劃工作壽命為3～6個(gè)月。

推進(jìn)模塊構(gòu)型

著陸器：被命名為“維克拉姆”（Vikram），箱狀結(jié)構(gòu)，尺寸為2m×2m×1.166m，質(zhì)量為1749.86kg（包括月球車質(zhì)量26kg），計(jì)劃工作壽命為1個(gè)月晝（14個(gè)地球日）。著陸器裝有4條著陸腿，側(cè)面安裝有功率為738W的太陽能電池陣。反作用輪用于巡航階段的控制姿態(tài)；推力由MMH和MON－3雙組元系統(tǒng)提供，包括4臺(tái)800N節(jié)流主發(fā)動(dòng)機(jī)和8臺(tái)58N姿態(tài)調(diào)節(jié)推力器。著陸器可與月船－2軌道器、月船－3月球車、推進(jìn)模塊和印度深空網(wǎng)（IDSN）通信。著陸器攜帶3種有效載荷，包括錢德拉表面熱物理實(shí)驗(yàn)裝置（ChaSTE），月球地震活動(dòng)儀（ILSA），繞月高敏感電離層和大氣的無線電分析-朗繆爾探測器（RAMBHA-LP），此外還安裝了一個(gè)由美國國家航空航天局（NASA）提供的用于月球激光測距的無源激光反射器陣列（LRA）。

月船－3著陸器和月球車

月球車：被命名為智慧號，尺寸為917mm×750mm×397mm，質(zhì)量為26kg，安裝在一個(gè)六輪搖臂式輪驅(qū)動(dòng)組件上，計(jì)劃工作壽命為1個(gè)月晝（14個(gè)地球日）。月球車裝有一個(gè)可產(chǎn)生50W電力的太陽能電池陣以及導(dǎo)航相機(jī)，通過Rx/Tx天線與著陸器直接通信。月球車攜帶2種有效載荷，用于研究當(dāng)?shù)氐谋砻嬖亟M成，即阿爾法粒子X射線光譜儀（APXS）和激光誘導(dǎo)分解光譜儀（LIBS）。

月船－3的運(yùn)行情況通過ISRO遙測、跟蹤與指令網(wǎng)（ISTRAC）的任務(wù)運(yùn)行綜合站（MOX）以及位于印度班加羅爾的印度深空網(wǎng)持續(xù)監(jiān)測。此外，歐洲航天局（ESA）和美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的深空天線也為月船－3提供跟蹤監(jiān)測支持。

2 任務(wù)實(shí)施過程

計(jì)劃飛行過程

月船－3由LVM3運(yùn)載火箭從薩迪什·達(dá)萬航天中心發(fā)射后，計(jì)劃在近地點(diǎn)實(shí)施5次變軌機(jī)動(dòng)，隨后進(jìn)入月球轉(zhuǎn)移軌道，共歷經(jīng)45天約384000km的飛行后抵達(dá)月球。推進(jìn)模塊將著陸器/月球車送入100km的圓形月球極軌道并與其分離，然后著陸器與月球車一起在月球南極附近的“曼齊尼U”環(huán)形山（Manzinus U crater）著陸，即南緯69.37°、東經(jīng)32.35°附近（著陸范圍為4km×2.5km），計(jì)劃著陸速度為垂直方向低于2m/s，水平方向低于0.5m/s。推進(jìn)模塊將留在月球軌道上，用于地月之間的中繼通信。此前印度發(fā)射的月船－2軌道器也可作為備用中繼器。

月船－3飛行過程

實(shí)際飛行情況

月船－3于7月14日發(fā)射升空后，與運(yùn)載火箭成功分離，并進(jìn)入36306km×138km的初始軌道，相比原計(jì)劃的36500km×170km橢圓停泊軌道（EPO）有所偏差。之后，月船－3經(jīng)過5次地球軌道變軌、1次地月轉(zhuǎn)移變軌、7次月球軌道變軌后，進(jìn)入了134km×25km的落月前軌道。在此期間，月球模塊成功與推進(jìn)模塊分離。8月21日，月球模塊與月船－2軌道器建立通信。8月23日，地面任務(wù)團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)“自動(dòng)著陸序列”（ALS）模式后，月球模塊抵達(dá)預(yù)定位置，啟動(dòng)可節(jié)流發(fā)動(dòng)機(jī)，從距離月球表面約30km處開始受控下降。在整個(gè)著陸過程中，探測器的方向從水平調(diào)整到垂直，速度從最初的1.68km/s降至幾乎為零，探測器著陸月面后傳回遙測數(shù)據(jù)，月船－3任務(wù)著陸成功。

3 任務(wù)特點(diǎn)分析

月船－3成為當(dāng)前最靠近月球南極的探測器

目前科學(xué)界對于月球的極區(qū)并沒有嚴(yán)格的定義。如果比照地球的劃分方法，是指南北緯66.5°以上地區(qū)。實(shí)際上，考慮月球白道與黃道的夾角，真正可能存在永久陰影坑、具有“極夜極晝”現(xiàn)象的地區(qū)，應(yīng)該在南北緯86°以上。

印度宣稱月船－3任務(wù)是全球首次月球南極著陸。由于月球南極的陰影區(qū)遠(yuǎn)大于月球北極，尋找到水冰的可能性更大，因此月球南極一直是月球探測活動(dòng)重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。目前已有月球軌道器對月球南極地區(qū)進(jìn)行過遙感探測，包括美國的“月球勘察軌道器”（LRO）、日本“月女神”（SELENE）等，并探測到月球南極富含水冰。本次任務(wù)的成功，極大地提升了印度的國際影響力，對印度樹立航天大國形象具有重大政治意義。

月船－3的成功建立于月船－2著陸失敗的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)之上

可以說，此次月船－3著陸的成功很大程度上是建立在月船－2著陸失敗的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)之上，這兩次任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)和工程目標(biāo)、探測器系統(tǒng)組成、科學(xué)有效載荷等幾乎相同，只是月船－3用更為簡化的推進(jìn)模塊替代了月船－2軌道器的中繼功能，減少了科學(xué)載荷，并對月球模塊進(jìn)行了一些性能上的改良。

為了增加本次任務(wù)成功著陸的幾率，印度基于月船－2由于軟件故障導(dǎo)致姿態(tài)失控從而著陸失敗的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對月船－3的設(shè)計(jì)進(jìn)行了一系列改進(jìn)，包括改進(jìn)軟件以適應(yīng)故障；采用新儀器來精確計(jì)算探測器的下降速度；加固著陸支腿以應(yīng)對更高的著陸速度；安裝數(shù)臺(tái)新的傳感器以增強(qiáng)導(dǎo)航相關(guān)的測量數(shù)據(jù)來提高冗余；采用更先進(jìn)的能源和通信系統(tǒng)；換裝光電轉(zhuǎn)換效率更高的太陽能電池；增加燃料加注量；制定故障安全措施確保出現(xiàn)某些意外情況時(shí)也可以成功著陸等。此外，相比月船－2任務(wù)500m×500m的著陸范圍，將月船－3的著陸范圍擴(kuò)寬至4km×2.5km。ISRO主席索瑪納特（Somanath）稱，探測器在正常條件下只會(huì)瞄準(zhǔn)一個(gè)特定的著陸點(diǎn)。但當(dāng)探測器表現(xiàn)不佳時(shí)，則可以降落在著陸范圍內(nèi)的任何地點(diǎn)。由于探測器攜帶了比月船－2更多的燃料，也可以在必要時(shí)前往另一個(gè)著陸點(diǎn)。

月船－3著陸器的受控下降裝置由月船－2的5臺(tái)800N發(fā)動(dòng)機(jī)縮減至4臺(tái)，取消了著陸器底板中心的一臺(tái)800N固定推力發(fā)動(dòng)機(jī)。ISRO認(rèn)為，底板中心的那臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)原本主要用于吹除著陸點(diǎn)的月塵，該發(fā)動(dòng)機(jī)的存在意味著陸程序需要多一項(xiàng)操作，而且這項(xiàng)操作發(fā)生在決定著陸任務(wù)成敗的最后關(guān)鍵階段，會(huì)降低探測器的設(shè)計(jì)可靠性，同時(shí)對著陸任務(wù)的成功實(shí)施幫助甚微，甚至?xí)档统晒β?。因此?jīng)過權(quán)衡，ISRO取消了這臺(tái)吹除月塵的專用發(fā)動(dòng)機(jī)。

注重培育自力更生的獨(dú)立研發(fā)能力

從導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)——“印度導(dǎo)航星座”（NavIC）到包括“月船”系列、“曼加里安”（Mangalyaan）等深空探測任務(wù)，再到已發(fā)射的“阿迪蒂亞－L1”（Aditya－L1）太陽探測任務(wù)和“天空飛船”（Gaganyaan）載人任務(wù)，印度一直非常注重培育獨(dú)立研發(fā)和發(fā)射任務(wù)的能力。月船－3任務(wù)中的推進(jìn)模塊、著陸器以及月球車都由印度獨(dú)立研發(fā)，旨在為印度未來的行星探測任務(wù)研發(fā)和演示驗(yàn)證新型技術(shù)。通過本次任務(wù)，印度有望掌握月球表面軟著陸、巡視探測、原位分析和實(shí)驗(yàn)的技術(shù)。

此外，由于外界采購限制等多種因素，本次任務(wù)還采用了印度國產(chǎn)的激光多普勒測速計(jì)（LDV），而不是原先計(jì)劃進(jìn)口的儀器。

通過廣泛宣傳提升公眾熱情，積極融入國際合作

印度對本次任務(wù)進(jìn)行了廣泛的宣傳活動(dòng)，包括與月球村協(xié)會(huì)共同主辦全球推廣活動(dòng)，舉行月船－3任務(wù)相關(guān)的全球視頻競賽、網(wǎng)絡(luò)論壇，全球網(wǎng)絡(luò)直播月船－3著陸全過程等，希望以此提高ISRO的月球任務(wù)在全球范圍內(nèi)的影響力，并推動(dòng)進(jìn)一步的國際合作。印度通過大力的科普宣傳和氛圍營造，吸引了全球尤其是印度本國對本次任務(wù)的密切關(guān)注。由于對此次著陸的預(yù)期很高，印度報(bào)紙和新聞?lì)l道的頭條都啟動(dòng)了倒計(jì)時(shí)。全國各地的禮拜場所都舉行了祈禱活動(dòng)，學(xué)生揮舞著印度國旗觀看著陸直播。孩子們聚集在被印度教徒視為神圣象征的恒河岸邊，為月船－3的安全著陸祈禱。

此前，印度還于2023年6月簽署《阿爾忒彌斯協(xié)定》（Artemis Accords），成為第27個(gè)簽署國，此舉也標(biāo)志著美印太空合作的進(jìn)一步加強(qiáng)。ISRO還幾乎同期與法國國家空間研究中心（CNES）、阿里安航天公司（Arianespace）、挪威康斯伯格衛(wèi)星服務(wù)公司（KSAT）舉行訪問和會(huì)談，商討潛在的航天合作領(lǐng)域?？梢灶A(yù)見，印度未來將更為積極地融入深空探索活動(dòng)國際合作。