印度落月失败,背后到底发生了什么?
2019-09-14 20:46

印度落月失败,背后到底发生了什么?

本文来自微信公众号:风云之声(ID:fyvoice),作者:袁岚峰,封面:视觉中国


导读:“月船2号”也不乏精彩的细节,例如对月球车的轮子进行了特殊的设计,使得它每次转圈时都能在月壤上留下印度国徽和ISRO标志的印记。这样都行啊!你们真是天才!


2019年北京时间9月7日凌晨4:45,世界关注的印度“月船2号”探月计划迎来大结局。着陆器在距离月面2.1公里时与地面失去联络,印度的首次月球软着陆任务以失败告终。


对此我们有什么看法呢?


一、印度航天的整体水平


我们先来说宏观层面。


在月球表面软着陆是个很有难度的任务。从1958年美国发射的人类第一颗月球探测器“先驱者0号”火箭爆炸,到2019年4月12日以色列的“创世纪”着陆器落月失败,全世界总共执行过118次探月与登月任务。其中软着陆的尝试有38次,而成功率只有52%。在这个意义上,印度这次的失败也很正常。


就大图景而言,太空探索是人类共同的伟大事业,印度有这个雄心壮志就是值得赞扬的。事实上,印度的航天水平虽然明显不如中美俄,但也取得了可观的成绩,跟欧洲、日本相比各有千秋,可以说在第二集团中占有牢固的位置。


之前看过科技袁周虑的观众可能记得,印度在2017年曾经“一箭104星”,远超中美俄,但这个其实并没有多少技术含量。在印度的航天成就中,真正最值得赞叹的是2014年“曼加里安”(Mangalyaan)号火星探测器成功进入火星轨道。这个成就有多大,跟其他国家对比一下就知道了。


曼加里安号火星探测器宣传图


从1960年苏联发射人类第一个火星探测器“火星1号”以来,到2015年,苏联及其继承者俄罗斯一共发射了22次火星探测器,但全部失败。直到2016年,俄罗斯为欧洲发射“火星太空生物”探测器,才取得了成功。当然,这不是说俄罗斯的技术不如印度,而是双方设定的成功标准不同。


美国的火星探测成功16次,失败4次。中国的第一个火星探测器“萤火1号”2011年搭乘俄罗斯的火箭升空,但因为火箭故障而失败。所以你看,印度在火星探测上走在中国前面呢。开玩笑地说,这个成就简直可以吹十年。


人类的火星探索历程,见中国科学院上海技术物理研究所舒嵘研究员在墨子沙龙的演讲


不过,就技术含量而论,印度的火星探测是水平比较低的。例如其他国家的火箭发射后只在地球轨道上绕几圈就奔向火星,而印度的火箭要绕很多圈,这是因为推力不够,要尽量多借用地球的引力弹弓效应。美俄都尝试了很多次登陆火星,而曼加里安号只是环绕火星拍照而已,并没有登陆。


曼加里安号火星探测器的轨道设计 来源:indiatoday.in


中国打算在2020年用自己的火箭发射火星探测器,还要放火星车下去。这技术含量刷刷地就上来了,相当于把嫦娥二号和嫦娥三号的事一起干,祝愿成功。


火星探测恐怕是印度领先于中国,在其他的领域,例如载人航天、月球探测、空间站,印度都排在中国后面。不过有趣的是,在这些方面印度都有计划,居然都安排上了。印度打算在2022年把人送入太空,在2020年~2030年自建空间站。想想看,印度的空间站,甭管能不能实现,这份豪情壮志就是好的。


说完了印度航天的宏观状况,再来看“月船2号”落月计划的微观细节。我不是航天专家,不过我的科大师弟石豪在航天部门工作,写过很多科普文章。最近,他又写了一篇《印度登月的“小目标”》,非常有趣。基于这篇文章以及我看到的其他一些专业分析,下面我向大家来讲讲。


二、落月时发生了什么?


这次探月的“月船2号”探测器,是2019年7月22日由印度自己的地球同步轨道运载火箭MK3,也就是GSLV MK3发射升空的,通过多次变轨,于8月20日进入月球轨道。


“月船2号”轨道示意图(图/ISRO)


“月船2号”探测器由轨道器和“维克拉姆”(Vikram)号着陆器组成,总重3850公斤,其中维克拉姆着陆器只有不到1500公斤,地球变轨和进入月球轨道所需的大量燃料由轨道器提供。


“月船2号”组合体(图/ISRO)


在与轨道器分离后,维克拉姆着陆器利用自带燃料完成落月。如果成功软着陆,就会释放出名叫“普拉刚”(Pragyan)的小型月球车。


Vikram着陆器(左)与Pragyan月球车(右)(图/ISRO)


小到什么程度呢?它的质量只有27公斤。相比之下,中国嫦娥三号的玉兔号月球车质量是140公斤。当然了,印度的航天计划一向以低成本著称,月船2号的总投资只有1.4亿美元,还要啥自行车!


从发射到落月,一切都进行得很顺利,看起来印度即将成为第四个实现月球软着陆的国家。考虑到目前玉兔二号是人类唯一在月球上巡游的探测器,如果一切顺利,就会出现中印两个文明古国的两台月球车同时在月球漫步的奇妙景象。但是,在着陆的最后时刻出了岔子。


早期版本的Vikram着陆器着陆过程(图/ISRO)


按照设计,维克拉姆着陆器应该从30公里的高度开始“急刹车”,到7.4公里的高度转为精细制动,在2公里的高度调正姿态,选取着陆点,在100米的高度悬停,避障,最后降落。


在精细制动过程中,着陆器的姿态应该是与竖直方向成50度角。但实际上遥测信号显示,着陆器在距离地面不到3公里的时候还在“拿大顶”。这可不是耍杂技的地方啊。


着陆器“拿大顶”(图/ISRO直播信号)


从空间轨迹上看,探测器从3公里高度开始,表示实际位置的绿线就和表示设计值的红线有明显分离。最终,探测器在高度还没到0的时候就失联了。


着陆器下降轨迹(图/ISRO直播信号)


在最关键的时刻姿态失控,着陆器根本来不及修正,来不及补救。因此可以判定,维克拉姆着陆器坠毁在月球表面,没有完成软着陆。


三、“画扇面”一般的设计过程


回头来看,“月船2号”的研制过程就可谓一波三折,因为技术方案在不断变动。说到这个,程序员都会想起令人抓狂的产品经理。


早在2007年,“月船1号”月球探测器尚未发射之时,印度就与俄罗斯签署了协议,共同开发“月船2号”。印度提供轨道器和月球车,俄罗斯负责着陆器。


好景不长,尽管两国科学家完成了方案设计,但俄罗斯迟迟无法交付着陆器。印度因此决定独立研制着陆器,“月船2号”的进度也一拖再拖。


月球着陆器的一大核心硬件,叫做“变推力发动机”。因为在减速下降的过程中,推进剂大量消耗,着陆器的质量时刻在变化。如果发动机的推力是恒定的,那么着陆器在最后时刻非但不能悬停着陆,反而会因为推力大于重力而上升。


美国、苏联和中国在登月过程中,都研发了推力可调的发动机,最典型的就是我们以前说过的阿波罗计划登月舱下降级的发动机。几十年后,这种技术被SpaceX继承,用于火箭回收。


阿波罗登月舱的下降级(图/NASA)


但印度实在是没有这项技术,因此只能另想办法。


印度空间研究组织(Indian Space Research Organisation,简称ISRO)将手中用于地球卫星的440牛顿远地点发动机升级到了800牛顿的推力,同时也为这种新发动机赋予了一定的变推力能力。


为了支撑总质量超过1000公斤的着陆器,印度只好给着陆器安装了4台800牛发动机,在初步减速时全开,在悬停避障时只开两台。


悬停避障阶段的着陆器(图/ISRO)


这个方案是不是很巧妙呢?


但到了2018年6月,印度科学家们决定改动维克拉姆着陆器的着陆程序,从与轨道器分离后直接降落改为先环绕月球几圈。这样必须增加第五台800牛发动机,在距离月球10米左右单独点火,才能保证安全。


早期的着陆器底部设计,可见只有四台800N发动机(图/ISRO)


等一下,难道说,以前研究了几年的的方案是分离以后一头扎下去吗?


是的。


所以在发射前一年,大家觉得这样不好,得改。


反正改的又不止发动机一个。


加了第五台发动机,原来的燃料不够了怎么办?改——多加两个燃料箱。


之前的着陆器支撑腿感觉有点窄,着陆时降到斜坡上翻了怎么办?改——从3.6米直径改成4.34米直径。


着陆器变重了,轨道器变轨能力跟不上了怎么办?改——给轨道器也多带燃料。


轨道器重了,着陆器也重了,原定的GSLV MK2火箭本来就弱,现在更不行了,怎么办?改——直接上新研制的GSLV MK3。


以至于2018年1月,ISRO在美国会议上发布的方案,半年过后就面目全非了。


“月船2号”新旧任务设计对比


“月船2号”探测器总体方案对比


好吧,这一通改,让我想起了著名的相声“画扇面”:从画美人改成画张飞,又改成画怪石,最后干脆把扇面全涂黑了!


我可以补充一点,印度在核聚变方面也是这种风格。根据中国的核聚变研究领军人物万元熙院士的讲座,印度三次在国际会议上宣布自己马上就要实现放电了,也就是把氢气成功制备成等离子体。但三次都失败,只得把文章撤掉,原因都是漏气。印度一直找不着哪儿漏气,最后只好把核聚变装置拆了,打算从中国订购一些关键部件,重新建造一个。


万元熙讲印度的核聚变装置


下面,我们来对比一下印度的月球探测计划和中国的嫦娥工程。


四、中印月球探测计划的对比


嫦娥一号于2007年成功发射,对月球进行环绕探测。一年之后,印度的“月船1号”探测器发射入轨。


有趣的是,“月船1号”还在轨释放了一个贴有印度国旗的月球撞击器。因此,印度成为了世界第四个在月球上留下痕迹的国家。


“月船1号”搭载的月球撞击器(图/ISRO)


前三个是谁?是苏联、美国和日本。没有中国哦!印度在这件事上成功地抢在了中国前面!


尽管设计寿命两年的“月船1号”只工作了一年不到就失效了,但印度不像中国这样考虑备份,在第二次探月的时候就要尝试软着陆。按照原计划,“月船2号”应当紧随中国的嫦娥三号完成落月。


印度的着陆器和中国的嫦娥三号有什么不同呢?


首先,嫦娥三号不需要轨道器。中国的火箭直接把嫦娥三号的远地点打到了40万公里以上,嫦娥三号只需要中途修正轨道,然后进行近月制动就可以。而受限于印度的火箭技术,“月船2号”只能进入一个远地点4万多公里的超同步转移轨道,需要通过轨道器实施多次变轨。


嫦娥三号与“月船2号”轨道对比


其次,中国为嫦娥三号研发了7500牛顿的变推力发动机,推力接近印度发动机的10倍,单台发动机就能完成从近月制动到下降、悬停、降落的全过程。而“月船2号”由于发动机能力有限,就需要在不同时间节点反复调整工作发动机的数量。


“一台顶十台”的嫦娥三号发动机(图/中国空间技术研究院)


第三,嫦娥三号有完备的热控系统,足以应对月昼月夜的数百度温差。自从2013年12月14日登月以来,虽然它携带的月球车玉兔号在服役972天后已经停止工作,但嫦娥三号本身直到今天依然在持续正常工作。


嫦娥四号以及它的月球车玉兔二号自从2019年1月3日登月以来,也仍然在正常工作,目前处于第九个月夜休眠期。而“月船2号”并没有对温度控制进行特殊设计,它的寿命只有14天——也就是一个月昼。


嫦娥三号的两相流体回路热控装置(图/中国空间技术研究院)


第四,从细节上也能体会到嫦娥三号设计的精妙细致。例如“月船2号”的主承力结构是一般卫星采用的圆柱承力筒,整体重心偏高,所以只能在发射前一年临时更改设计,加大了着陆腿展开的直径以确保稳定性。而嫦娥三号的主承力结构是全新设计的,推进剂贮箱并联,大大降低了重心高度。


嫦娥三号结构布局(图/中国空间技术研究院)


当然,“月船2号”也不乏精彩的细节。什么样的细节呢?


例如,印度科学家对普拉刚月球车的轮子进行了特殊的设计,使得它每次转圈时都能在月壤上留下印度国徽和ISRO标志的印记。


印度月球车的独特设计(图/ISRO)


我必须承认,看到石豪师弟的这段,我受到了极大的震动:这样都行啊!你们真是天才!


想想看,印度追求的都是些什么目标:先于中国把国旗扔上月球,用月球车把自己的图腾印到月球表面。这也太有印度特色了!


在“月船2号”着陆失败后,一位不愿透露姓名的ISRO官员告诉《印度时报》,“月船2号”的任务只有5%失败了,因为其余95%的载荷都在轨道器上。


这话真是好有道理,让人无法反驳。


没有能打更高轨道的火箭?没关系,带轨道器就好。


没有够用的变推力发动机?没关系,多放几台就好。


没有余量做完整热控设计?没关系,只工作14天就好。


当你的目标足够小的时候,总是能实现的。怪不得石豪这篇文章的题目叫做《印度登月的“小目标”》。印度人民就是这么乐观,你能怎么办?


最后,我们有一个好消息。掉到月球上的月船2号被找到了,ISRO的主管说正在尝试联系。如果能成功,那就是一个真正的技术奇迹。


祝印度好运!


本文来自微信公众号:风云之声(ID:fyvoice),作者:袁岚峰,封面:视觉中国

本内容为作者独立观点,不代表虎嗅立场。未经允许不得转载,授权事宜请联系hezuo@huxiu.com

正在改变与想要改变世界的人,都在虎嗅APP

读了这篇文章的人还读了...

回顶部
收藏
评论15
点赞19