各国邮票上的月球车,印度月船二号发射升空

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7月22日下午5时13分,印度从萨迪什·达万航天中心使用GSLV MK III型火箭发射月船二号(Chandrayaan-2)月球探测器,月船二号探测器最初曾打算2012-2013年发射,由于种种原因推迟到2019年。即使如此,作为印度的第一个月球着陆器,这次任务仍有不少可圈可点的亮点。

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“月神17号”就是一部由“月球车1号”取代了返回部分的“月神”样本采集航天器。它从一个地球停泊轨道向月球发射,并于1970年11月15日进入月球轨道。月球车静止时,车体侧面装备的4架摄影机能够显示侧面、下方和尾部的视野。月球车行进时,安装在前方的两架电视摄像机则可以提供声音图像信号。

嫦娥三号探测器将首次实现我国航天器地外天体软着陆。嫦娥三号任务作为探月工程二期主任务,是“绕、落、回”三步走中的关键一步,对整个探月工程乃至航天事业的发展具有重要意义。作为中国国家航天局嫦娥工程第二阶段的登月探测器,嫦娥三号包括着陆器和月球车。于2013年12月2日1时30分由长征三号乙运载火箭从西昌卫星发射中心发射。它将携带中国的第一艘月球车,并实现中国首次月面软着陆。

印度开创绕落巡模式

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使用情况

结构特点研制历程使用情况型号演变结构特点嫦娥三号携带了近紫外月基天文望远镜、极紫外相机,月球车的底部安装一台测月雷达。研制历程

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“月神17号”于1970年11月17日在月球的“雨海”软着陆。这辆756千克(1663磅)重的月球车包含一个加压的镁合金车厢,由克里米亚半岛的一个5人小组控制。如今,这辆月球车被一直留在了月球上,它的激光反射器仍然可以使用。

2011年9月21日,国防科工局透露,嫦娥三号目前正处于初样研制阶段,正在进行大量试验验证工作,2012年1月6日,月球着陆器的悬停避障及缓速下降试验,月球巡视器的综合测试及内、外场试验等各项验证性试验完成。

印度月船二号探测器在人类无人深空探测中首创“绕落巡”一体设计,还在我国的火星探测器之前。人类最初的深空探测器是飞掠而过的飞掠器,即使现在也有新视野号探测器这样的飞掠器,随后发展出环绕行星和卫星的轨道器,然后又出现了软着陆的着陆器,再进一步发展出地外天体表面行走的巡视器,也就是各种月球车和火星车。工程师们还将各种方式结合使用,比如月球车或火星车肯定需要搭配一个着陆器负责下降着陆,也就是“落巡”合一,美国水手系列探测器则是轨道器加着陆器的设计,也就是“绕落”合一,但“绕落巡”合一的深空探测器,在人类深空探测史上还是第一次。

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2013年9月25日,探月与航天工程中心举办月球车全球征名活动,并将于10月25日截止报名,于10月31日结束终审,并于11月上旬按程序报批。2013年11月26日,中国探月工程副总指挥李本正宣布:“嫦娥三号”月球车被命名为“玉兔”号。

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使用情况

“绕落巡”探测器在设计上比较复杂,但这并不意味着探测器技术水平很高,而只是前人没有做过。如果要类比的话,类似于我国嫦娥四号首次在月球背面软着陆,月球背面着陆并非美苏技术上力所不及,美国当年就曾有月球L2轨道放置中继星支持载人登陆月球背面的计划,只不过由于种种原因没有成行。印度月船二号开创“绕落巡”探测模式的含金量更要等而下之,美国阿波罗15、16和17号载人登月任务中都携带了月球车,加上登月舱和月球轨道上的阿波罗飞船,也是“绕落巡”任务,但无论是美国、苏联/俄罗斯还是欧空局或是日本航天,都没有发射过“绕落巡”的无人探测器。

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2013年11月30日,“嫦娥三号”任务发射场区指挥部研究决定,“嫦娥三号”将在12月2日1时30分于西昌卫星发射中心实施发射。2013年12月2日1时30分,“嫦娥三号”从西昌卫星发射中心成功发射。火箭飞行30多分钟后,器箭分离,“嫦娥三号”顺利进入近地点高度200公里,远地点高度约38万公里的地月转移轨道。“嫦娥三号”奔月飞行约需112小时,在此期间将视情况进行轨道修正,预计探测器将于12月6日飞行至月球附近,实施近月制动,进入100×100公里的环月圆轨道。

即使如此,无人探测器首创“绕落巡”还是值得印度人开心一下的。另外它在2019年7月发射升空,发射时间抢在我国更晚立项,但同样是“绕落巡”方案的火星探测器之前,避免印度航天“起了个大早,赶了个晚集”的尴尬。

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按照计划,“嫦娥三号”于12月中旬择机在月球虹湾地区实现软着陆,将开展月表形貌与地质构造调查、月表物质成分和可利用资源调查、地球等离子体层探测和月基光学天文观测等科学探测任务。

印度大火箭再显身手

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型号演变嫦娥一号 月球探测器于2007年10月24日在西昌卫星发射中心发射,并且在11月5日进入绕月轨道。这艘太空船一直工作到2009年3月1日,才脱离轨道并且撞击到月球表面。在轨有效探测16个月,顺利完成第一期环球绕月探测任务。嫦娥1号收集到的资料被用来建立非常精确和高解析的完整立体月面图。嫦娥二号 它的姊妹月球探测船嫦娥二号在2010年10月1日发射,在100公里高的绕月 轨道上进行研究,为嫦娥三号的软着陆作准备。嫦娥2号类似于嫦娥1号,但做了些改进,包括解析力更好,达到1米的相机。嫦娥三号 “嫦娥三号”探测器和“长征三号乙”运载火箭均由中国航天科技集团公司负责研制。与发射“嫦娥二号”卫星火箭相比,用于此次发射的火箭进行了多项技术状态更改,突破了多项关键技术,进一步提高了可靠性和安全性。此次任务是长征系列运载火箭的第186次发射。2017年前后开展探月工程第三期任务,主要实现月球表面软着陆并采样返回。

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印度月船二号探测器包括一个轨道器,一个名为Vikram(印度科学家,印度航天之父)的着陆器和一个名为Pragyan的月球车,其中轨道器重2379千克,着陆器重1471千克并带有一个27千克的月球车,探测器总质量高达3850千克,比我国嫦娥三号着陆器约3780千克的体重还要略重。嫦娥三号使用了我国运载能力最强的长征三号乙火箭发射,而印度火箭的运载能力一向是个短板,那么印度的月船二号探测器怎么办呢?大型通信卫星可以交给阿里安5火箭发射,但作为国家脸面的月船二号探测器还是要自己来。

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印度决定使用新研制的大火箭GSLV MK III发射,这种火箭别看还叫GSLV,但和原来的GSLV MK II完全是两种火箭,作为印度运载能力最强的大型运载火箭,它的起飞重量提高到640吨,地球同步转移轨道运载能力约4吨。即使如此,它的运载能力发射月船二号探测器也比较勉强,它只能把月船二号送入近地点170公里、远地点38000多公里的大椭圆轨道,随后月船二号探测器的轨道器启动发动机,不断变轨提升远地点,最后抵达月球轨道被月球引力捕获。这种地月转移模式和月船一号如出一辙,是印度运载火箭能力仍有不足的表现,也是原计划7月15日发射但9月6日才着陆月球的根本原因。(当年阿波罗11号从发射到登月用了约四天时间)

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话虽如此,印度大火箭GSLV MK III的发射记录还算不错。2014年12月18日印度大火箭实现首飞,但火箭第二级只是配重,火箭自然没有进入轨道,也就是进行了俗称的半箭试飞;2017年6月5日大火箭将GSAT-19通信卫星送入同步转移轨道,2018年11月14日的发射任务中,又成功将GSAT-29卫星送入预定轨道,火箭试飞和发射任务连续成功。虽然GSLV MK III火箭技术水平和运载能力平平,但印度人一步一个脚印稳扎稳打,大火箭的试飞表现还真是稳得很,让欧洲阿里安5火箭相形见绌。

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  各国邮票上的月球车

印度大火箭的成功也有一些运气的成分,本次发射原定于7月15日进行,但当天火箭发射倒计时1小时时,印度工程师发现上面级推进剂泄露等问题紧急中止发射。虽然最终推迟了一个星期,但确保了发射任务的成功。值得一提的是,GSLV MK III火箭这次发射表现超过预期,火箭将探测器送入近地点151公里、远地点45124公里的轨道,远地点比原计划高了约6000公里,相当于火箭运力提高了15%,这个意外之喜可以节省探测器部分推进剂,为变轨机动留出更多余量。当然,即使火箭运力提高15%,月船二号探测器仍然要多次“绕圈”变轨,这虽然导致探测器从发射到着陆月球的时间漫长,也带来一个意外的惊喜,那就是任务冗余时间充分,原定7月15日发射改到22日,但着陆时间并没有变化,不会影响到月船二号尤其是月球车的巡视探测任务。

  随着嫦娥三号着陆器和“玉兔号”月球车完成第一次互拍,嫦娥三号任务获得圆满成功,我国成为世界上第三个具备软着陆月球和月面巡视勘查能力的国家。此前,美国和前苏联也都派出月球车去探索月球,而从世界各国的方寸上,我们都可以看到这些月球车的身影。

印度探测器价廉物美

  月球车是一种能够在月球表面行驶并完成月球探测、考察、收集和分析样品等复杂任务的专用车辆。虽然,1969年“阿波罗”11号飞船载着三名宇航员飞往月球,其中阿姆斯特朗与奥尔德林成功登上月球,首次实现人类踏上月球的理想,让美国在空间竞赛中领先了,但是世界上第一辆月球车却是前苏联在1970年11月成功发射的。

月船二号探测器使用了复杂的“绕落巡”方案,对印度可谓旗舰级探测任务了,你要是觉得这个月球探测器还很贵,那就大错特错了。印度空间研究机构发布消息,月船二号项目总共花了97.8亿卢比,汇率换算大约相当于1.43亿美元或9.38亿人民币,这也实在太便宜啦。要知道我们中国十多年前的嫦娥一号只是环月轨道器,并且使用成熟的东方红三号卫星平台,整个项目都花了14亿人民币。

  前苏联对于月球的探索可以追溯至1959年1月2日,前苏联发射了月球1号探测器,这使它成为人类发射成功的第一个摆脱地球引力场的航天器。前苏联邮政曾经专门发行一套邮票进行纪念(图1)。在“阿波罗”11号成功登月之后,前苏联为了扭转颓势,于1970年11月17日通过“月球”17号探测器,把世界上第一个无人驾驶的“月球车”1号送上月球,它行驶了10.5公里,考察了8万平方米的月面。前苏联邮政曾经在1971年发行过一套四枚的邮票,其中两枚分别展现了“月球”17号探测器(图2)和“月球车”1号(图3)。越南邮政也发行过一套三枚的邮票来展现世界上第一辆月球车,其中一枚展现了“月球车”1号跨过沟堑,当然这可能更多地可能是一种想象(图4)。

印度航天项目成本更低,不过我们也不用去找什么体制问题,印度花钱少主要是人力成本低。航天器尤其是深空探测器项目,硬件生产所需的物料成本并不多,研发投入很大程度上是人力支出。由于印度人均GDP只是我们中国的五分之一,不要说用美国人的标准,就是我们中国人看来,也觉得印度工程师的工资低,难怪花小钱办了大事做出了月船二号探测器。

  1971年7月31日,“阿波罗15”号宇航员戴维·斯科特和詹姆斯·欧文进行了人类首次月球车行驶,他们驾驶着4轮月球车,在崎岖不平的月球表面上,越过陨石坑和砾石行驶了数公里。斯科特和欧文成为在月球上漫步的第7位和第8位人,而且是第一个在月球上驾车行驶的。仅仅几天之后,美国邮政就在8月2日发行了一套两枚的邮票,以纪念这一历史性的时刻(图5为邮票首日封)。“阿波罗”16号、17号携带的月球车,分别在月面上行驶了27公里和35公里,并利用月球车上的彩色摄像机和传输设备,向地球实时地发回宇航员在月面上活动的情景及离开月球返回环月轨道时登月舱上升级发动机喷气的景象。其中“阿波罗”17号是人类第六次,也是迄今为止公布的最后一次登月任务(图6为“阿波罗”17号任务纪念封)。

月船二号探测器价廉是一方面,但印度仍尽力为探测器配备了各种科学载荷,综合下来可以说是物美价廉。印度发展深空探测充分利用了国际合作的有利条件,月船一号探测器过半载荷是外国货,月船二号探测器上也搭载了不少外国载荷,比如轨道器携带11个载荷,其中6个印度研制的,3个来自欧洲,还有2个来自美国,不过关键的着陆器和巡视器上,科研载荷就主要是印度载荷了。印度虽然是发展中国家,但这个大国集中力量办大事,月船二号探测器的载荷配置还是很有特色的。

  1973年1月8日,苏联月球21号探测器赴月考察,其中载有“月球车”2号,并于1973年1月16日登上月面静海地区,开始在月面行驶考察。它在月面共停留4个月,发回86张全景照片、8万多张电视图片。前苏联邮政在这一年发行的一套三枚的邮票以及小全张进行纪念(图7),小全张中间的一枚邮票展现的就是“月球车”2号。

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月船二号的轨道器上有印度太空应用中心研制的地形测绘相机,用于生成高精度的全月三维影像,太空应用中心还研制了合成孔径雷达以及红外成像光谱仪,SAR可以更好的探测和证明月球永久阴影区水冰的存在,而IIRS可以探测月球表面的矿物、水以及羟基;ISRO的卫星中心研制了大面积软X射线光谱仪,而印度物理研究实验室提供了软X射线监视器,两者结合通过X射线荧光分析月球表面物质的主要成分;轨道器上还有印度太空物理实验室研制的钱德拉中性原子质谱仪,对月球稀薄的大气层进行探测,它还顺路搭载了双频无线电科学实验载荷,用研究月球的电离层;最后轨道器还携带了高分辨率相机,可拍摄月球表面的高分辨率照片,以后印度人说不定也要学美国LRO拍摄阿波罗以及其他着陆器的着陆痕迹,进行月球考古。

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月船二号的着陆器上装有月震仪,用于探测着陆场附近的月震。它还带有钱德拉热物理载荷,探测月球表面的导热系数和温度梯度,另外就是朗缪尔探针,用于研究月球表面的电离层。总的说来相比轨道器载荷的丰富多彩,着陆器的科学载荷大为逊色。

我们再来看仅有27千克的Pragyan号月球车,它是人类目前最小的月球车,不过携带的阿尔法粒子X-射线分光仪和激光诱导击穿光谱仪,却尽显印度航天和行星科学的雄心。我国玉兔号月球车就携带了APXS,我们对这种分析物质成份的利器想来并不陌生,印度期待使用APXS对月壤的成份进行实地考察,而印度月球车上的LIBS更不简单,它是太空中的第二台LIBS仪器,让Pragyan成为仅次于美国好奇号火星车携带LIBS的巡视器。LIBS用于研究元素丰度,简单地说APXS确认各种元素有没有,而LIBS分析识别有多少,它们结合是研究月球表面物质成份和组成的大杀器。

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首探南极当先锋

月船二号探测器还有一个不得不提的闪光点,它是人类历史上第一个月球南极着陆探测器。人类探测月球那么多年,发射了那么多着陆器和月球车,但都在赤道附近及中纬度地区着陆探测,我国嫦娥三号在北纬45度着陆已经就是高纬度了,月球极区自然就成了探测的空白区。与此同时,月球轨道探测器发现极区可能存在水,这可是月球开发的关键资源,但截止目前各国的轨道器探测结果各有不同,还是要实地探测一番才行,而月船二号现在就成了人类月球极区探测的开路先锋。

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印度在月球极区探测上的第一,倒不是刻意追求的结果。十多年前中日印竞相发射了月球轨道器,然后都开始着陆器的研制,都号称2013年前后登月,结果只有我们中国的嫦娥三号如期落下去,不过印度和日本的项目也有亮点,那就是定位于极区探测。日本的辉夜姬2项目后来取消,印度的月船二号也就成了极区探测的独苗,不过要说意外抢下的这个世界第一,我们还不得不提到俄罗斯人这个猪队友。

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1976年苏联月球24号取样返回成功,随后苏联和俄罗斯就再没有探月,进入21世纪俄罗斯看着西边的美欧探月,东边的中日探月,南边的印度都探月了,心里也很着急,于是月球系列探测器也续上了,俄罗斯自己的月球探测器就叫月球25号。月球25号又名月球-水珠(Luna-Glob),原计划2012年发射和中日印相争,月球25号包括一个轨道器、一个着陆器和一个月球车,它才是月球探测“绕落巡”的源头,它的着陆器和月球车将在月球南极着陆探测挥发物找水。俄罗斯后续的月球26号探测器叫月球-土壤,它其实是俄印合作项目,印度研制轨道器和月球车,俄罗斯负责着陆器,其实月球25和26号的着陆器就是完全相同的东西。说白了,印度人想争热点去南极找水,但月球南极山高谷深地形崎岖不平,降落的难度大危险性高,印度人对自行着陆南极缺乏自信,而苏联在冷战时代多次实施月球软着陆,经验丰富,俄罗斯人自己的月球25号还要先着陆试一试。于是印度喊着老司机带带我,印俄合作结硕果了。

天有不测风云,2011年俄罗斯把福布斯-土壤探测器打飞了,连带我国的萤火一号火星探测器也烧成了灰,不仅对中国航天是个噩耗,也严重打击了印度人的信心。接下来月球25号还反复推迟,印度人只好痛下决心扔了拐杖,自行研制月球着陆器,这就是月船二号的Vikram着陆器。Vikram是印度航天之父,单从这个名字就能看出印度的决心和对它的期待。Vikram着陆器使用5台800牛发动机,并且发动机具有节流能力,用于实现月球软着陆,它还独具一格的使用了内置月球车的设计,月球车在着陆器的腹部,通过一个展开的金属板驶上月球表面。祸兮福之所倚,抛开了俄罗斯的着陆器,也脱离了俄罗斯航天的拖沓,现在俄罗斯月球25号发射时间又从2019年延期到2021年了,要是当年继续和他们合作,印度月船二号探测器哪能现在就上天呢。

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月球极区降落大为不易,印度最早试图在南纬85度左右着陆,但权衡了风险后着陆点还是改为南纬70.9度/东经22.78度,也就是在Manzinus C和Simpelius N两个撞击坑中间。相比南极点附近极为陡峭的地形,南纬70度虽然仍在极区范围内,但地形相对平缓多了,有利于印度这个新手着陆成功。如今,印度的月船二号已经发射升空,一个半月后将挑战月球极区降落,它能否成功成为人类第一个月球极区探测器,还是让我们拭目以待吧。​​​

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