印度發(fā)射新月球探測(cè)器，雄心勃勃的探月計(jì)劃遠(yuǎn)景是載人登月

　　印度發(fā)射新月球探測(cè)器——月船三號(hào)，這是印度雄心勃勃月球探測(cè)計(jì)劃的一部分。

　　7月14日，搭載月船三號(hào)探測(cè)器的LVM3運(yùn)載火箭發(fā)射成功，探測(cè)器進(jìn)入預(yù)定軌道，月船三號(hào)探測(cè)器預(yù)定于8月23日著陸月球南極，如果一切順利的話，它將成為人類歷史上第一個(gè)月球極區(qū)著陸器。

　　印度開國(guó)總理尼赫魯曾說印度要做“有聲有色的大國(guó)”，這個(gè)大國(guó)夢(mèng)想不僅是尼赫魯?shù)膫€(gè)人雄心，更是印度的國(guó)家夢(mèng)想。印度航天作為國(guó)家追求“有聲有色”大國(guó)夢(mèng)想路上為數(shù)不多的亮點(diǎn)，印度正通過月球探測(cè)展示自己的大國(guó)雄心。

　　印度的月球探測(cè)計(jì)劃

　　印度空間研究組織(ISRO)的月船三號(hào)探測(cè)器將再次挑戰(zhàn)高難度的月球軟著陸，試圖實(shí)現(xiàn)印度成功落月“零的突破”。月船三號(hào)很大程度上是月船二號(hào)探測(cè)器的克隆，我們回顧印度更早的月船系列探測(cè)器，會(huì)發(fā)現(xiàn)雖然印度的月球探測(cè)成就和體系上遠(yuǎn)不能與中國(guó)、美國(guó)等國(guó)家相提并論，但其月球探測(cè)計(jì)劃如果成功，仍將是世界各國(guó)中屈指可數(shù)的。

　　印度的月球探測(cè)計(jì)劃于20年前正式啟動(dòng)，2003年，印度總理在8月15日的國(guó)慶日上宣布，印度將開展月球探測(cè)，而印度業(yè)內(nèi)正式討論月球探測(cè)計(jì)劃，至少可以追溯到1999年的印度科學(xué)院會(huì)議。2003年4月印度上百名行星和空間科學(xué)領(lǐng)域的著名科學(xué)家討論并通過了向月球發(fā)射探測(cè)器的建議，促成了印度政府在同年11月正式批準(zhǔn)這項(xiàng)任務(wù)，這就是2008年發(fā)射的月船一號(hào)探測(cè)器。

　　印度雖然人口眾多，但工業(yè)和科學(xué)基礎(chǔ)薄弱，月球探測(cè)只能量體裁衣，選擇符合印度國(guó)情的設(shè)計(jì)方案。月船一號(hào)項(xiàng)目的目標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)印度月球探測(cè)零的突破，使用印度現(xiàn)有的火箭將印度研制的探測(cè)器送入月球軌道，并開展試驗(yàn)性的科學(xué)研究，包括繪制月面立體地圖，以及研究月面物質(zhì)組成等。月船一號(hào)探測(cè)器發(fā)射重量1380千克，攜帶了11個(gè)科學(xué)載荷，其中5個(gè)是印度研制的，另外6個(gè)分別由歐美國(guó)家提供，它還攜帶了一個(gè)月球撞擊器。

　　2008年10月22日，印度使用PSLV運(yùn)載火箭成功發(fā)射了月船一號(hào)探測(cè)器，經(jīng)過探測(cè)器的多次變軌后飛向月球，并完成近月捕獲最終進(jìn)入距離月面100公里高度的圓軌道。月船一號(hào)探測(cè)器的著名成果包括使用國(guó)產(chǎn)的地形測(cè)繪相機(jī)(TMC)繪制了7米分辨率的全月圖，以及搭載的美國(guó)月球礦物繪圖儀(M3)發(fā)現(xiàn)了月球極區(qū)存在水，激發(fā)了人類對(duì)月球探測(cè)的熱情。

　　月船一號(hào)作為印度月球探測(cè)的開路先鋒并不完美：雖然探測(cè)器設(shè)計(jì)壽命2年，但印度對(duì)近月軌道的熱環(huán)境考慮不足，100公里高度的月船一號(hào)探測(cè)器被月面反射的高溫致失效，于2009年8月28日徹底失去聯(lián)系。月船一號(hào)僅僅工作了312天，但整個(gè)項(xiàng)目只花了約8300萬美元，總體上還是成功的。印度科學(xué)界在月船一號(hào)發(fā)射前，就雄心勃勃地討論了著陸探測(cè)等后續(xù)計(jì)劃，2008年9月18日印度政府決定支持月球軟著陸探測(cè)項(xiàng)目。

　　月船二號(hào)探測(cè)器設(shè)計(jì)上比一號(hào)復(fù)雜得多，月船一號(hào)只是一個(gè)一噸級(jí)通信衛(wèi)星平臺(tái)，而月船二號(hào)發(fā)射質(zhì)量達(dá)到了3850千克，包括軌道器、著陸器和月球車三個(gè)部分，其中著陸器被命名為Vikram，以紀(jì)念印度航天之父Vikram，而月球車被命名為Pragyan，整個(gè)項(xiàng)目花費(fèi)了96億盧比(當(dāng)時(shí)幣值約合1.3億美元)。印度于2019年7月22日使用LVM3火箭發(fā)射了月船二號(hào)探測(cè)器，這也是LVM3的首次正式發(fā)射任務(wù)，當(dāng)年8月20日探測(cè)器進(jìn)入月球軌道，9月7日開始實(shí)施月球軟著陸。月船二號(hào)的變軌和軟著陸機(jī)動(dòng)開始相當(dāng)順利，但高度降低到2.1公里高度時(shí)飛行軌跡開始偏移，遙測(cè)信號(hào)顯示Vikram著陸器最后的垂直下落速度超過58米/秒，這肯定是硬著陸了。

　　事后，美國(guó)LRO月球軌道器的高分辨率衛(wèi)片顯示，Vikram著陸器徹底摔碎了，印度的首次月球著陸嘗試以徹底失敗告終，月球車更是和著陸器同歸于盡，月面巡視還沒開始就結(jié)束了。盡管如此，月船二號(hào)任務(wù)的軌道器還是取得了一定的成績(jī)，月船二號(hào)軌道器攜帶了印度研制的多種儀器載荷，尤其是高分辨率相機(jī)(OHRC)具備0.32米的超高分辨率，超過了美國(guó)的LRO探測(cè)器的0.5米，考慮到月船二號(hào)軌道器運(yùn)行高度是100公里，而LRO是50公里，OHRC相機(jī)的角分辨率是LROC相機(jī)的3倍。月船二號(hào)軌道器拍攝了大量月面高分辨率衛(wèi)片，包括月船二號(hào)著陸器殘骸以及美國(guó)阿波羅登月遺址。

　　承上啟下的月船三號(hào)

　　2019年月船二號(hào)的軟著陸失敗了，但這次登月失敗并沒有澆滅印度的月球雄心。2019年11月，印度空間研究組織宣布將實(shí)施新的月球軟著陸任務(wù)，這項(xiàng)任務(wù)被命名為月船三號(hào)。由于印度政府支持相當(dāng)有限，印度月船探測(cè)器并沒有像我國(guó)嫦娥系列探測(cè)器那樣研制備份星，但月船三號(hào)探測(cè)器在總體設(shè)計(jì)上是月船二號(hào)的復(fù)制，相當(dāng)于重新造了一個(gè)月船二號(hào)，它的主要目標(biāo)也是繼續(xù)挑戰(zhàn)月球軟著陸技術(shù)，突破和掌握月面軟著陸和巡視能力。

　　月船三號(hào)任務(wù)是印度空間研究組織和印度科學(xué)家們的“心頭肉”，但印度政府對(duì)這個(gè)項(xiàng)目積極性并不高。2019年印度空間研究組織為月船三號(hào)任務(wù)申請(qǐng)了7.5億盧比預(yù)算，根據(jù)該組織前任主席K·斯萬的說法，月船三號(hào)任務(wù)的總預(yù)算大約為61.5億盧比(約合7488萬美元)，其中探測(cè)器研制預(yù)算為25億盧比(約3000萬美元)，而發(fā)射火箭LVM3都需要36.5億盧比(4450萬美元)。雖然整個(gè)項(xiàng)目預(yù)算資金低得可憐，不得不調(diào)整項(xiàng)目，月船三號(hào)探測(cè)器將只包括著陸器和巡視器，而去掉了獨(dú)立的軌道器。由于著陸器不具備獨(dú)立實(shí)施近月制動(dòng)進(jìn)入月球軌道的能力，月船三號(hào)還需要一個(gè)可分離的推進(jìn)艙執(zhí)行近月制動(dòng)任務(wù)，從目前公開的月船三號(hào)照片看，所謂推進(jìn)艙就是沒有安裝原有探測(cè)載荷的軌道器，但這個(gè)推進(jìn)艙倒不全是空殼，它還裝有名為地球光譜偏振儀(SHAPE)的載荷，從月球軌道研究地球的光譜和測(cè)量偏振，它還攜帶S波段轉(zhuǎn)發(fā)器，為著陸器提供信號(hào)中轉(zhuǎn)功能。

　　月船三號(hào)發(fā)射質(zhì)量約3.9噸，其中推進(jìn)艙質(zhì)量2145千克，著陸器質(zhì)量1749千克，著陸器中包括一輛26千克的月球車。為了適應(yīng)月球極區(qū)陽(yáng)光照射角低的環(huán)境，月船三號(hào)著陸器四個(gè)側(cè)面貼裝了太陽(yáng)能電池，提供738瓦的功率，巡視器更是特意安裝了一個(gè)豎起的太陽(yáng)能電池板，發(fā)電功率為50瓦。月船三號(hào)著陸器設(shè)計(jì)上相當(dāng)保守，并沒有考慮度過月夜，其設(shè)計(jì)壽命只有14天(一個(gè)月晝)，小小的月球車就更不考慮過夜了。印度空間研究組織為月船三號(hào)任務(wù)設(shè)定的三大目標(biāo)：突破掌握月球軟著陸技術(shù)，驗(yàn)證巡視器技術(shù)和開展原位科學(xué)探測(cè)，第一項(xiàng)由著陸器實(shí)現(xiàn)，后兩項(xiàng)依靠巡視器完成。

　　雖然月船三號(hào)著陸器和月球車設(shè)計(jì)上和月船二號(hào)探測(cè)器大致相同，但印度仍對(duì)它們做了一些改進(jìn)，以提高月船三號(hào)任務(wù)的成功率。月船三號(hào)著陸器移除了二號(hào)著陸器中心的發(fā)動(dòng)機(jī)，把800牛變推力著陸主發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)量從5臺(tái)減少到4臺(tái)，印度800牛發(fā)動(dòng)機(jī)采用雙組元推進(jìn)劑，但據(jù)稱變推力節(jié)流下限只到80%，這明顯增加了軟著陸的控制難度，要實(shí)現(xiàn)垂直速度小于2米/秒的軟著陸，對(duì)它的著陸控制算法是一個(gè)不大不小的考驗(yàn)。印度曾試圖為月船三號(hào)著陸器進(jìn)口高精度的激光多普勒測(cè)速儀(LDV)，但一直沒買到，只好自力更生，研制了印度自己的激光測(cè)速儀。印度還為著陸器安裝了額外的攝像頭，提高著陸器的態(tài)勢(shì)感知能力，為軟著陸過程提供更全面可靠的依據(jù)。月船三號(hào)預(yù)定落點(diǎn)為南緯69.367621度， 東經(jīng)32.348126度，和月船二號(hào)的落點(diǎn)并不遠(yuǎn)。

　　月船三號(hào)著陸器裝有測(cè)量等離子體密度和變化的朗繆爾探針(LP)，以及測(cè)量熱導(dǎo)率和溫度的錢德拉表面熱物理實(shí)驗(yàn)儀(ChaSTE)，測(cè)量著陸區(qū)月震活動(dòng)的月震儀(ILSA)。月船三號(hào)的月球雖然尺寸很小，但麻雀雖小五臟俱全，它裝有阿爾法粒子X射線光譜儀(APXS)和激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀(LIBS)，尤其是LIBS的使用僅晚于美國(guó)和中國(guó)的大型火星車，也是世界上第一個(gè)裝有LIBS的月球車。APXS和LIBS將用于開展月球原位探測(cè)，尤其是LIBS能通過非接觸式探測(cè)快速獲得物質(zhì)元素成分信息，對(duì)月球表面的月壤月巖的成本進(jìn)行研究。

　　總的來說，月船三號(hào)最重要的使命就是突破軟著陸技術(shù)，為印度后續(xù)探月任務(wù)以及印度參與的國(guó)際合作計(jì)劃奠定基礎(chǔ)。印度和日本2017年簽署了預(yù)研協(xié)議，2021年正式宣布聯(lián)合實(shí)施名為月球極區(qū)探測(cè)計(jì)劃(LUPEX)的探月項(xiàng)目，其中印度提供月球著陸器，而日本提供H3火箭和月球車。月船二號(hào)本來要為它驗(yàn)證軟著陸器技術(shù)，但著陸失敗導(dǎo)致只能再進(jìn)行一次著陸嘗試即月船三號(hào)項(xiàng)目。如果月船三號(hào)軟著陸成功的話，印日將研制和發(fā)射LUPEX探測(cè)器，對(duì)月球南極進(jìn)行原位探測(cè)。LUPEX的主要目標(biāo)是勘測(cè)分析月球極區(qū)的水資源，著陸器將攜帶至少350千克的載荷，月球車搭載印度和日本的多種載荷，包括從1.5米深度鉆取地下樣本的鉆機(jī)。

　　印度的探月雄心

　　預(yù)算和支持力度不足是制約印度月球和深空探測(cè)最主要原因，但印度航天并不缺乏對(duì)未來的設(shè)想和規(guī)劃。

　　印度在月球探測(cè)上提出了環(huán)繞探測(cè)，著陸探測(cè)，月面取樣和取樣返回四個(gè)階段的發(fā)展戰(zhàn)略。月船一號(hào)任務(wù)實(shí)現(xiàn)了環(huán)繞探測(cè)，還攜帶撞擊器進(jìn)行了撞擊探測(cè)；月船二號(hào)目標(biāo)是突破掌握軟著陸技術(shù)，以及開展巡視探測(cè)，月船二號(hào)著陸失敗，現(xiàn)在月船三號(hào)將繼續(xù)落月嘗試；印度和日本還在聯(lián)合推進(jìn)月球極區(qū)探測(cè)任務(wù)/LUPEX，它也被印度人稱為月船四號(hào)探測(cè)器，雖然項(xiàng)目還沒有正式立項(xiàng)，但雙方都在開展研制工作，預(yù)計(jì)2026-2028年發(fā)射。

　　月船四號(hào)著陸月球南極點(diǎn)附近后，將使用印度研制的鉆機(jī)鉆取月球地下樣本，加熱分析是否存在揮發(fā)物尤其是水。月船四號(hào)著陸器還將驗(yàn)證月夜生存技術(shù)，設(shè)計(jì)壽命達(dá)到6個(gè)月，也為開展更復(fù)雜的月球探測(cè)任務(wù)鋪平道路。印度還準(zhǔn)備啟動(dòng)月船五號(hào)探測(cè)項(xiàng)目，探測(cè)器可能在2030年前后發(fā)射，它的定位和功能類似月船四號(hào)，同樣選擇月球極區(qū)著陸，但將是印度主導(dǎo)完成的任務(wù)，據(jù)稱它配有大型巡視器，也將鉆取樣品進(jìn)行原位研究；印度也在策劃月球取樣返回探測(cè)器，未來可能編號(hào)為月船六號(hào)任務(wù)，但作為遠(yuǎn)景規(guī)劃實(shí)施時(shí)間將在2030年之后。總而言之，印度的月球探測(cè)同樣要走“繞落回”的大方向，但印度根據(jù)自身能力和國(guó)際合作環(huán)境，多出一個(gè)極區(qū)取樣探測(cè)的階段。

　　印度在探月方面也在積極開展國(guó)際合作。2008年發(fā)射的月船一號(hào)軌道器上，就搭載了NASA等外國(guó)機(jī)構(gòu)提供的多種科研載荷，今年6月23日印美簽署阿爾忒彌斯協(xié)定，印度成為阿爾忒彌斯協(xié)定的第27個(gè)簽署國(guó)。美國(guó)目前正在實(shí)施阿爾忒彌斯登月計(jì)劃，而阿爾忒彌斯協(xié)定的目標(biāo)不僅是增進(jìn)阿爾忒彌斯計(jì)劃的國(guó)際合作，讓大家共同為美國(guó)主導(dǎo)的載人重返月球添磚加瓦，也有抱團(tuán)建立新的國(guó)際化框架的遠(yuǎn)景。

　　美國(guó)發(fā)起國(guó)際空間站項(xiàng)目，向參與國(guó)家尤其是盟友提供便利轉(zhuǎn)讓技術(shù)，讓歐洲和日本搭便車大大增強(qiáng)了載人航天能力，阿爾忒彌斯協(xié)定下的各個(gè)國(guó)家也有望得到美國(guó)的支持和技術(shù)轉(zhuǎn)移，這對(duì)印度這樣具備一定的航天實(shí)力和巨大的發(fā)展?jié)摿Φ羁仗綔y(cè)水平還比較落后的國(guó)家來說絕對(duì)是及時(shí)雨，印度未來可能獲得深度交流的機(jī)會(huì)和技術(shù)輸出，研制出更先進(jìn)的月船系列探測(cè)器，未來甚至不排除以下一代火箭和飛船參與載人登月計(jì)劃，為印度發(fā)展獨(dú)立的載人登月能力打基礎(chǔ)。

　　張雪松