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。
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。
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
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。
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。
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)。
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。
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。