張揚眉 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，印度自此進入“月球著陸俱樂部”，這極大地增強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“運載火箭M3”（LVM3）（以前被稱為GSLV-MK3）發(fā)射，任務(wù)目標是演示驗證月球表面軟著陸技術(shù)與月球車巡視技術(shù)，并進行原位科學探測和實驗，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。探測器由推進模塊（PM）和月球模塊（LM）組成。其中，月球模塊包括一個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，而是采用一個推進模塊替代軌道器的功能，并可用于中繼通信。

月船－3探測器

推進模塊：箱狀結(jié)構(gòu)，基于I－3K改進版平臺，質(zhì)量2145.01kg，干質(zhì)量448.62kg，推進劑質(zhì)量1696.39kg，功率758W，一側(cè)安裝有一個大型太陽能電池陣，頂部有一個大圓柱體以及模塊間適配器錐體，主發(fā)動機的噴嘴位于底部。推進采用MMH和MON－3雙組元推進系統(tǒng)，通信采用S頻段轉(zhuǎn)發(fā)器。推進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）實驗裝置，從月球軌道對地球進行光譜和偏振測量，計劃工作壽命為3～6個月。

推進模塊構(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），計劃工作壽命為1個月晝（14個地球日）。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800N節(jié)流主發(fā)動機和8臺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驗裝置（ChaSTE），月球地震活動儀（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，安裝在一個六輪搖臂式輪驅(qū)動組件上，計劃工作壽命為1個月晝（14個地球日）。月球車裝有一個可產(chǎn)生50W電力的太陽能電池陣以及導航相機，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?shù)氐谋砻嬖亟M成，即阿爾法粒子X射線光譜儀（APXS）和激光誘導分解光譜儀（LIBS）。

月船－3的運行情況通過ISRO遙測、跟蹤與指令網(wǎng)（ISTRAC）的任務(wù)運行綜合站（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）和美國噴氣推進實驗室（JPL）的深空天線也為月船－3提供跟蹤監(jiān)測支持。

2 任務(wù)實施過程

計劃飛行過程

月船－3由LVM3運載火箭從薩迪什·達萬航天中心發(fā)射后，計劃在近地點實施5次變軌機動，隨后進入月球轉(zhuǎn)移軌道，共歷經(jīng)45天約384000km的飛行后抵達月球。推進模塊將著陸器/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

實際飛行情況

月船－3于7月14日發(fā)射升空后，與運載火箭成功分離，并進入36306km×138km的初始軌道，相比原計劃的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，進入了134km×25km的落月前軌道。在此期間，月球模塊成功與推進模塊分離。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)團隊啟動“自動著陸序列”（ALS）模式后，月球模塊抵達預定位置，啟動可節(jié)流發(fā)動機，從距離月球表面約30km處開始受控下降。在整個著陸過程中，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)特點分析

月船－3成為當前最靠近月球南極的探測器

目前科學界對于月球的極區(qū)并沒有嚴格的定義。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重點關(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)驗教訓之上

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)驗教訓之上，這兩次任務(wù)的科學目標和工程目標、探測器系統(tǒng)組成、科學有效載荷等幾乎相同，只是月船－3用更為簡化的推進模塊替代了月船－2軌道器的中繼功能，減少了科學載荷，并對月球模塊進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由于軟件故障導致姿態(tài)失控從而著陸失敗的經(jīng)驗教訓，對月船－3的設(shè)計進行了一系列改進，包括改進軟件以適應(yīng)故障；采用新儀器來精確計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)臺新的傳感器以增強導航相關(guān)的測量數(shù)據(jù)來提高冗余；采用更先進的能源和通信系統(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瞄準一個特定的著陸點。但當探測器表現(xiàn)不佳時，則可以降落在著陸范圍內(nèi)的任何地點。由于探測器攜帶了比月船－2更多的燃料，也可以在必要時前往另一個著陸點。

月船－3著陸器的受控下降裝置由月船－2的5臺800N發(fā)動機縮減至4臺，取消了著陸器底板中心的一臺800N固定推力發(fā)動機。ISRO認為，底板中心的那臺發(fā)動機原本主要用于吹除著陸點的月塵，該發(fā)動機的存在意味著陸程序需要多一項操作，而且這項操作發(fā)生在決定著陸任務(wù)成敗的最后關(guān)鍵階段，會降低探測器的設(shè)計可靠性，同時對著陸任務(wù)的成功實施幫助甚微，甚至會降低成功率。因此經(jīng)過權(quán)衡，ISRO取消了這臺吹除月塵的專用發(fā)動機。

注重培育自力更生的獨立研發(fā)能力

從導航衛(wèi)星系統(tǒng)——“印度導航星座”（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立研發(fā)和發(fā)射任務(wù)的能力。月船－3任務(wù)中的推進模塊、著陸器以及月球車都由印度獨立研發(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、原位分析和實驗的技術(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（LDV），而不是原先計劃進口的儀器。

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)進行了廣泛的宣傳活動，包括與月球村協(xié)會共同主辦全球推廣活動，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，并推動進一步的國際合作。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期很高，印度報紙和新聞頻道的頭條都啟動了倒計時。全國各地的禮拜場所都舉行了祈禱活動，學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個簽署國，此舉也標志著美印太空合作的進一步加強。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）舉行訪問和會談，商討潛在的航天合作領(lǐng)域?？梢灶A見，印度未來將更為積極地融入深空探索活動國際合作。