印度月船二号航天器顺利升空 一文读懂印度登月计划野心

2019年07月22日 19:24 次阅读 稿源:凤凰网科技 条评论

当地时间2019年7月22日,印度从位于斯里哈里科塔岛的达万(Satish Dhawan)航天中心发射一枚GSLV Mk III火箭,搭载月船二号航天器升空,标志着发射屡次被推迟的月船二号终于踏上奔月征程。这也意味着印度可能成为继中国、美国和俄罗斯之后第四个航天器成功登陆月球的国家。

发射屡次被推迟

最初,月船二号发射时间预计为2017年左右。

2018年2月16日,印度空间研究组织宣布,将在4月发射月船二号探测器。

3月2日,印度又以此次任务还没准备就绪,4月发射太仓促,还有很多事情要处理为由,推迟发射。

4月18日,印度空间研究组织宣布,月船二号定于下半年发射。

5月22日,月船二号因需要进行更多的发射前测试,发射时间被推迟至2018年10月至11月。

后月船二号发射时间因故被推迟至2019年3-4月份。4月11日,以色列“创世纪”号探测器在月球表面坠毁。这一背景下,月船二号发射时间又被推迟到7月份。

当地时间2019年7月15日,月船二号航天器在火箭上准备发射。印度空间研究组织消息称,由于技术原因,原定于15日凌晨发射的月船二号月球探测器延期发射。后来有消息称造成发射推迟的原因是氦泄露。印度空间研究组织称发射时间将推迟到7月22日。

月船二号最初由印度、俄罗斯联合开发

月船二号

2007年11月12日,俄罗斯联邦航天局和印度空间研究组织签署一项协议,两家机构共同开展月船二号项目。印度空间研究组织负责其中的轨道飞行器和月球车系统,俄罗斯联邦航天局则负责着陆器系统。月船二号的设计工作于2009年8月完成。

由于俄罗斯联邦航天局无法按时开发着陆器系统,月船二号项目实施时间由2013年1月推迟到2016年。之后俄罗斯联邦航天局因“福布斯-土壤”项目的失败而退出月船二号项目。

在一次测试中,着陆器的两个腿受到轻微损坏。

月船二号将对月球展开多种形式探索

目标

月船二号飞船的主要目标,是展示在月球表面软着陆,并在月球表面操纵月球车的能力。科学目标包括研究月球地形、矿物分布、元素丰度、月球外大气层,以及以羟基形式存在的水和水冰的特征。轨道器绘制月球表面地图,为制作月球3D地图进行准备工作。在研究南极地区的水冰和月球表面的风化层厚度时,雷达系统也将绘制地图。月船二号还将探测Artemis计划(美国新的载人登月计划)提出的未来月球基地水的分布和充裕程度。

《科学》杂志2018年1月刊文称,月船二号着陆器和月球车的目标是距离月球南极约600公里的一片地区,这将是迄今为止人类航天器首次造访月球南极正面。嫦娥四号着陆地点位于南极背面。

设计

月船二号将搭乘运载火箭GSLV Mk III从达万航天中心起飞,质量大约为3850千克。月船二号首先将被发射到近地点170公里、远地点40400公里的轨道。然后它将进行轨道抬高操作,进入地月转移轨道,奔向月球。

月船二号轨道飞行器围绕月球飞行

轨道飞行器

月船二号轨道飞行器将在100公里的高度绕月球运行。它携带有五种科学仪器,其中三种是全新研制的,另外两种是在月船一号飞船仪器基础上改进而成。轨道飞行器发射质量为2379千克。在着陆器与轨道飞行器分离之前,轨道飞行器高分辨率相机将对着陆点进行观测。轨道飞行器预计工作时间为1年左右。

月船二号着陆器

维克拉姆着陆器

维克拉姆着陆器的名称来自维克拉姆•萨拉巴伊(Vikram Sarabhai)——被广泛认为是印度太空计划之父。

与轨道飞行器分离后,维克拉姆着陆器将利用其推力为800牛的发动机变轨到近月点为30公里、远月点为100公里的椭圆轨道。它将首先对各系统进行一次全面“体检”,一切正常后尝试软着陆、部署月球车、执行为期约14天的科学考察活动。着陆器和月球车总质量约为1471千克。

维克拉姆着陆器推进系统包括八个用于姿态控制的50牛推进器和五个800牛的液体发动机。它可以安全降落在12°的斜坡上。

月船二号月球车

普拉冈月球车

月球车质量约为27千克,并以太阳能为动力。它将利用6个轮子以每秒1厘米的速度在月球表面上行驶,并对月球表面土壤进行化学分析,将数据发送给着陆器,然后由着陆器传回地球。

普拉冈月球车预计工作时间为1个月昼(相当于地球上的约14天)。但其电力系统支持睡眠/唤醒技术,因此,它的工作时间可能会延长。

有效载荷

印度空间研究组织为轨道飞行器选择了8种科学仪器,为着陆器选择了4种,为月球车选择了2种。印度空间研究组织在2010年曾表示,受重量限制,月船二号不会搭载外国有效载荷。但着陆器最终搭载有美国航空航天局的一个小型激光后向反射器,目的是帮助科学家测量地球到月球的准确距离和观察月球天平动。

月船一号证实月球上存在固态水

月船一号

2007年,日本和中国先后发射了绕月探测卫星。印度于2008年10月22日发射了首个无人探月装置——月船一号。月船一号准确进入绕月轨道,搭载的仪器对月球表面和内部进行了大量勘测,并发回大量数据。通过这些数据,科学家们惊奇地发现:月球上存在固态水,这是月船一号最大的发现。

2009年8月底,月船一号因内部仪器过热而发生故障,与地面失去联系。虽然任务被迫终止了,但月船一号基本实现了印度的发射目标。

预计工作寿命为2年的月船一号,在发射10个月后(2009年8月29日)与地面失联。2017年3月,英国《独立报》网站刊文称,在失去无线电联系8年后,印度第一个月球探测器月船一号被发现仍然在进行绕月飞行。美国航空航天局喷气推进实验室也在月球表面上空200公里处发现了月船一号。

月船二号需要多次变轨,并等待时机才能登陆月球

月船二号飞得慢?

月船二号从发射到登月所需时间要长得多(例如,如果7月15日发射成功需要52天),而中美航天器登月通常仅需要1-2周,问题出在哪里?我们拿月船二号与嫦娥三号进行比较,了解其中的奥秘。

嫦娥三号发射后,5天时间就进入月球轨道,成为月球的一颗卫星。这得益于长征三号乙火箭巨大的运力,能直接把嫦娥三号送入近地点数百公里、远地点38万公里的地月转移轨道。

飞船要进入地月转移轨道,对速度是有一定要求的,常规方式进入这一轨道要求航天器飞行速度达到接近第二宇宙速度的10.9公里/秒,这就要求火箭的运力要充足。

地月转移轨道也有不同选择,最短的3天左右,长的可以长达数个月甚至数年,基本上取决于燃料和需求。但速度越快,对轨道控制的精度要求就越高,燃料消耗就越大,插入月球轨道时的风险也就越大。因此大多数常规任务都选择周期为5天左右的普通轨道。

实际上,嫦娥三号进入月球轨道后,也是经过数次变轨才最终进入了100×100公里的圆形轨道,再到侦察飞行和成功落月,又过去了一周时间。严格意义上说嫦娥三号从发射到落月,总共用了两周时间。

月船二号多次变轨示意图

月船二号进入地月转移轨道的方式就复杂得多。GSLV Mk3火箭首先将飞船发射到近地点180公里、远地点40000公里的超同步转移轨道。然后每隔数天飞船都会在近地点点火,持续抬高飞船的远地点轨道高度。

这种操作大约要持续十余天、进行五次变轨,才能把飞船轨道的远地点从4万公里提高到38万公里左右。然后再经过5天的奔月飞行才能接近月球轨道,总计耗时约17天。

从接近月球到进入100公里的环月轨道,月船二号需要进行5次刹车,大约需要4天时间。因此月船二号从发射到变成环月飞行最少需要21-22天的时间。然后再经过数天在轨飞行,对系统进行检查、对月成像,总计就需要一个月左右。

然后,月船二号还需要等待月夜过去,在月昼开始时登月,以完成14天的科学考察任务。总之,由于火箭运力不足,月船二号将被迫在“路上”花更多时间。

嫦娥四号首次访问月球背面

与嫦娥四号的比较

嫦娥四号由着陆器与巡视器组成,巡视器命名为“玉兔二号”。作为全球首个在月球背面软着陆,并进行巡视探测的航天器,其主要任务是着陆月球表面,继续更深层次更加全面地科学探测月球地质、资源等方面的信息,完善月球的“档案资料”。

由于在月球背面着陆,嫦娥四号与地球间的通信需要通过中继卫星进行,为此,用于嫦娥四号任务的中继卫星“鹊桥”号于2018年5月21日成功发射。这无疑加大了嫦娥四号与地面控制站通信的难度和挑战。而月船二号在月球正面着陆,为它提供通信保障的难度要低得多。

2018年12月8日,嫦娥四号在西昌卫星发射中心由长征三号乙运载火箭成功发射。2019年1月3日,嫦娥四号成功着陆在月球背面南极地区艾特肯盆地冯•卡门撞击坑着陆区,“玉兔二号”到达月面开始巡视探测。2019年1月11日,嫦娥四号着陆器与玉兔二号巡视器两器互拍,达到工程既定目标,标志着嫦娥四号任务圆满成功。

“玉兔二号”设计寿命3个月,已于7月9日9时10分进入第七个月夜,目前工作寿命已超过计划1倍。月船2号已多次跳票,而且月球车设计工作寿命仅为一个月昼。

今年1月15日,嫦娥四号携带的棉花种子长出嫩芽,这是人类首次在月面完成的生物试验。棉花嫩芽长势良好,这是在经历月球低重力、强辐射、高温差等严峻环境考验后,在月球上长出的第一株植物嫩芽,完成人类首次月面生物生长培育实验。月船二号奔月、落月过程还存在多种不确定性,着陆器、月球车能否经受得住月球表面严苛环境的考验还是个未知数。

印度航天简史

印度航天事业是在苏联的技术援助下建立起来的。1963年,印度发射了第一枚探空火箭。1975年,印度第一颗卫星从苏联火箭发射场发射升空。1980年7月18日,印度第一次用自主运载火箭从本国发射场发射卫星成功,成为世界上第六个具有独立卫星发射能力的国家。

到2012年为止,印度已发射各类卫星50多颗,用于教育、卫生、减灾、自然资源利用、国防等领域。

印度火星轨道探测器成功进入火星轨道

印度航天雄心

印度空间研究组织主席金思旺(Kailasavadivoo Sivan)曾发文表示,该组织计划在未来将从月船系列航天器项目获得的经验用于更具挑战性的任务,例如登陆小行星或火星,或向金星发射航天器。

印度空间研究部副部长吉吉德拉•辛格上周三向议员们表示,“印度空间研究所和学术机构正在对月球未来定居点的结构进行实验,科学家正在对定居点的要求和复杂性进行各项研究。”

与我国相似,印度也制定了雄心勃勃的月球探测计划,并将计划划分为三个阶段。第一阶段,印度将于2008年前发射一颗小型环绕月球飞行的航天器月船一号,这一阶段基本完成,虽然月船一号实际工作时间远远短于预定的两年;第二阶段发射航天器登月,对月球进行多领域科学研究;第三阶段,2015年之前实现载人登月。很显然的是,第二、三阶段的实施远远落后于规划时间。

但印度在航天领域还是取得了一定成就。2014年9月24日,印度火星轨道探测器成功进入火星轨道,成为全球首个第一次尝试航天器便成功进入火星轨道的国家。数年前,中国“萤火一号”航天器搭乘俄罗斯“福布斯-土壤”火星探测器前往火星,结果在地火转移轨道上点火失败。

另外,印度在一箭多星技术上取得了较大成功,曾创下一箭发射104颗卫星的世界记录。(作者/霜叶)

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