印度月船二号发射升空，首次落月任务亮点多多
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作者 | 张雪松
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。
“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。
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。
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（意为智慧）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当时高轨道运力最大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。
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）
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。
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。
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（ISRO）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。
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。
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（11个中的6个）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。
月船二号的轨道器上有印度太空应用中心（SAC）研制的地形测绘相机（TMC-2），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（SAR）以及红外成像光谱仪（IIRS），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（ISAC）研制了大面积软X射线光谱仪（LASS），而印度物理研究实验室（PRL）提供了软X射线监视器（XSM），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（SPL）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。
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（APXS）和激光诱导击穿光谱仪（LIBS），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。
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。
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。
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。
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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