印度落月失敗：從“畫扇面”到“小目標”_風聞

【袁嵐峯，中國科學技術大學化學博士，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員，科技與戰略風雲學會會長，青年科學家社會責任聯盟理事，中國無神論學會理事，安徽省科學技術協會常務委員】

2019年北京時間9月7日凌晨4:45，世界關注的印度“月船2號”探月計劃迎來大結局。着陸器在距離月面2.1公里時與地面失去聯絡，印度的首次月球軟着陸任務以失敗告終。

對此我們有什麼看法呢？

一、印度航天的整體水平

我們先來説宏觀面。

在月球表面軟着陸是個很有難度的任務。從1958年美國發射的人類第一顆月球探測器“先驅者0號”火箭爆炸，到2019年4月12日以色列的“創世紀”着陸器落月失敗，全世界總共執行過118次探月與登月任務。其中軟着陸的嘗試有38次，而成功率只有52%。在這個意義上，印度這次的失敗也很正常。

就大圖景而言，太空探索是人類共同的偉大事業，印度有這個雄心壯志就是值得讚揚的。事實上，印度的航天水平雖然明顯不如中美俄，但也取得了可觀的成績，跟歐洲、日本相比各有千秋，可以説在第二集團中佔有牢固的位置。

之前看過科技袁周慮的觀眾可能記得，印度在2017年曾經“一箭104星”（烏鴉，一種真正脱離了低級趣味的生物 | 科技袁周慮第24期），遠超中美俄，但這個其實並沒有多少技術含量。在印度的航天成就中，真正最值得讚歎的是2014年“曼加里安”（Mangalyaan）號火星探測器成功進入火星軌道。這個成就有多大，跟其他國家對比一下就知道了。

曼加里安號火星探測器宣傳圖

從1960年蘇聯發射人類第一個火星探測器“火星1號”以來，到2015年，蘇聯及其繼承者俄羅斯一共發射了22次火星探測器，但居然全部失敗！直到2016年，俄羅斯為歐洲發射“火星太空生物”探測器，才取得了成功。當然，這不是説俄羅斯的技術不如印度，而是雙方設定的成功標準不同。

美國的火星探測成功16次，失敗4次。中國的第一個火星探測器“螢火1號”2011年搭乘俄羅斯的火箭升空，但因為火箭故障而失敗。所以你看，印度在火星探測上走在中國前面呢！開玩笑地説，這個成就簡直可以吹十年！

人類的火星探索歷程，見中國科學院上海技術物理研究所舒嶸研究員在墨子沙龍的演講（https://www.bilibili.com/video/av58575156）

不過，就技術含量而論，印度的火星探測是水平比較低的。例如其他國家的火箭發射後只在地球軌道上繞幾圈就奔向火星，而印度的火箭要繞很多圈，這是因為推力不夠，要儘量多借用地球的引力彈弓效應。美俄都嘗試了很多次登陸火星，而曼加里安號只是環繞火星拍照而已，並沒有登陸。

曼加里安號火星探測器的軌道設計

（https://www.indiatoday.in/india/story/india-mars-oribter-mission-countdown-begins-216423-2013-11-04）

中國打算在2020年用自己的火箭發射火星探測器，還要放火星車下去。這技術含量刷刷地就上來了，相當於把嫦娥二號和嫦娥三號的事一起幹，祝願成功！

火星探測恐怕是印度航天領先於中國的唯一的領域，在其他的領域，例如載人航天、月球探測、空間站，印度都顯著的在中國後面。不過有趣的是，在這些方面印度都有計劃，居然都安排上了！印度打算在2022年把人送入太空，在2020-2030年代自建空間站（印度首次挑戰登月告敗，一步之遙≈多大差距？）。想想看，印度的空間站！甭管能不能實現，這份豪情壯志就是好的！

説完了印度航天的宏觀狀況，再來看“月船2號”落月計劃的微觀細節。我不是航天專家，不過我的科大師弟石豪在航天部門工作，寫過很多科普文章。最近，他又寫了一篇《印度登月的“小目標”》（印度登月的“小目標” | 石豪），非常有趣。基於這篇文章以及我看到的其他一些專業分析，下面我向大家來講講。

二、落月時發生了什麼？

這次探月的“月船2號”探測器，是2019年7月22日由印度自己的地球同步軌道運載火箭MK3也就是GSLV MK3發射升空的，通過多次變軌，於8月20日進入月球軌道。

“月船2號”軌道示意圖（圖/ISRO）

“月船2號”探測器由軌道器和“維克拉姆”（Vikram）號着陸器組成，總重3850公斤，其中維克拉姆着陸器只有不到1500公斤，地球變軌和進入月球軌道所需的大量燃料由軌道器提供。

“月船2號”組合體（圖/ISRO）

在與軌道器分離後，維克拉姆着陸器利用自帶燃料完成落月。如果成功軟着陸，就會釋放出名叫“普拉剛”（Pragyan）的小型月球車。

Vikram着陸器（左）與Pragyan月球車（右）（圖/ISRO）

小到什麼程度呢？它的質量只有27公斤。相比之下，中國嫦娥三號的玉兔號月球車質量是140公斤。當然了，印度的航天計劃一向以低成本著稱，月船2號的總投資只有1.4億美元，還要啥自行車！

從發射到落月，一切都進行得很順利，看起來印度即將成為第四個實現月球軟着陸的國家。考慮到目前玉兔二號是人類唯一在月球上巡遊的探測器，如果一切順利，就會出現中印兩個文明古國的兩台月球車同時在月球漫步的奇妙景象。但是，在着陸的最後時刻出了岔子。

早期版本的Vikram着陸器着陸過程（圖/ISRO）

按照設計，維克拉姆着陸器應該從30公里的高度開始“急剎車”，到7.4公里的高度轉為精細制動，在2公里的高度調正姿態，選取着陸點，在100米的高度懸停，避障，最後降落。

在精細制動過程中，着陸器的姿態應該是與豎直方向成50度角。但實際上遙測信號顯示，着陸器在距離地面不到3公里的時候還在“拿大頂”。這可不是耍雜技的地方啊！

着陸器“拿大頂”（圖/ISRO直播信號）

從空間軌跡上看，探測器從3公里高度開始，表示實際位置的綠線就和表示設計值的紅線有明顯分離。最終，探測器在高度還沒到0的時候就失聯了。

着陸器下降軌跡（圖/ISRO直播信號）

在最關鍵的時刻姿態失控，着陸器根本來不及修正，來不及補救。因此可以判定，維克拉姆着陸器墜毀在月球表面，沒有完成軟着陸。

三、“畫扇面”一般的設計過程

回頭來看，“月船2號”的研製過程就可謂一波三折，因為技術方案在不斷變動。説到這個，程序員都會想起令人抓狂的產品經理。

早在2007年，“月船1號”月球探測器尚未發射之時，印度就與俄羅斯簽署了協議，共同開發“月船2號”。印度提供軌道器和月球車，俄羅斯負責着陸器。

好景不長，儘管兩國科學家完成了方案設計，但俄羅斯遲遲無法交付着陸器。印度因此決定獨立研製着陸器，“月船2號”的進度也一拖再拖。

月球着陸器的一大核心硬件，叫做“變推力發動機”。因為在減速下降的過程中，推進劑大量消耗，着陸器的質量時刻在變化。如果發動機的推力是恆定的，那麼着陸器在最後時刻非但不能懸停着陸，反而會因為推力大於重力而上升。

美國、蘇聯和中國在登月過程中，都研發了推力可調的發動機，最典型的就是我們以前説過的阿波羅計劃登月艙下降級（我們應該如何紀念登月（三）帶我去月球 | 袁嵐峯）的發動機。幾十年後，這種技術被SpaceX繼承，用於火箭回收。

阿波羅登月艙的下降級（圖/NASA）

但印度實在是沒有這項技術，因此只能另想辦法。

印度空間研究組織（Indian Space Research Organisation，簡稱ISRO）將手中用於地球衞星的440牛頓遠地點發動機升級到了800牛頓的推力，同時也為這種新發動機賦予了一定的變推力能力。

為了支撐總質量超過1000公斤的着陸器，印度只好給着陸器安裝了4台800牛發動機，在初步減速時全開，在懸停避障時只開兩台。

這個方案是不是很巧妙呢？

但到了2018年6月，印度科學家們決定改動維克拉姆着陸器的着陸程序，從與軌道器分離後直接降落改為先環繞月球幾圈。這樣必須增加第五台800牛發動機，在距離月球10米左右單獨點火，才能保證安全。

早期的着陸器底部設計，可見只有四台800N發動機（圖/ISRO）

等一下等一下……難道説，以前研究了幾年的的方案是分離以後一頭紮下去嗎？

是的。

所以在發射前一年，大家覺得這樣不好，得改。

反正改的又不止發動機一個。

加了第五台發動機，原來的燃料不夠了怎麼辦？改——多加兩個燃料箱。

之前的着陸器支撐腿感覺有點窄，着陸時降到斜坡上翻了怎麼辦？改——從3.6米直徑改成4.34米直徑。

着陸器變重了，軌道器變軌能力跟不上了怎麼辦？改——給軌道器也多帶燃料。

軌道器重了，着陸器也重了，原定的GSLV MK2火箭本來就弱，現在更不行了，怎麼辦？改——直接上新研製的GSLV MK3。

以至於2018年1月，ISRO在美國會議上發佈的方案，半年過後就面目全非了。

“月船2號”新舊任務設計對比

“月船2號”探測器總體方案對比

好吧，這一通改，讓我想起了著名的相聲“畫扇面”：從畫美人改成畫張飛，又改成畫怪石，最後乾脆把扇面全塗黑了！

我可以補充一點，印度在核聚變方面也是這種風格。根據中國的核聚變研究領軍人物萬元熙院士的講座（https://www.bilibili.com/video/av855167/?p=5），印度三次在國際會議上宣佈自己馬上就要實現放電了，也就是把氫氣成功製備成等離子體。但三次都失敗，只得把文章撤掉，原因都是漏氣。印度一直找不着在哪兒漏氣，最後只好把核聚變裝置拆了，打算從中國訂購一些關鍵部件，重新建造一個。

萬元熙講印度的核聚變裝置

下面，我們來對比一下印度的月球探測計劃和中國的嫦娥工程。

四、中印月球探測計劃的對比

嫦娥一號於2007年成功發射，對月球進行環繞探測。一年之後，印度的“月船1號”探測器發射入軌。

有趣的是，“月船1號”還在軌釋放了一個貼有印度國旗的月球撞擊器。因此，印度成為了世界第四個在月球上留下痕跡的國家。

前三個是誰？是蘇聯、美國和日本。沒有中國哦！印度在這件事上成功地搶在了中國前面！

儘管設計壽命兩年的“月船1號”只工作了一年不到就失效了，但印度不像中國這樣考慮備份，在第二次探月的時候就要嘗試軟着陸。按照原計劃，“月船2號”應當緊隨中國的嫦娥三號完成落月。

印度的着陸器和中國的嫦娥三號有什麼不同呢？

首先，嫦娥三號不需要軌道器。中國的火箭直接把嫦娥三號的遠地點打到了40萬公里以上，嫦娥三號只需要中途修正軌道，然後進行近月制動就可以。而受限於印度的火箭技術，“月船2號”只能進入一個遠地點4萬多公里的超同步轉移軌道，需要通過軌道器實施多次變軌。

嫦娥三號與“月船2號”軌道對比

其次，中國為嫦娥三號研發了7500牛頓的變推力發動機，推力接近印度發動機的10倍，單台發動機就能完成從近月制動到下降、懸停、降落的全過程。而“月船2號”由於發動機能力有限，就需要在不同時間節點反覆調整工作發動機的數量。

“一台頂十台”的嫦娥三號發動機（圖/中國空間技術研究院）

第三，嫦娥三號有完備的熱控系統，足以應對月晝月夜的數百度温差。自從2013年12月14日登月以來，雖然它攜帶的月球車玉兔號在服役972天后已經停止工作，但嫦娥三號本身直到今天依然在持續正常工作。嫦娥四號以及它的月球車玉兔二號自從2019年1月3日登月以來，也仍然在正常工作，目前處於第九個月夜休眠期。而“月船2號”並沒有對温度控制進行特殊設計，它的壽命只有14天——也就是一個月晝。

嫦娥三號的兩相流體迴路熱控裝置（圖/中國空間技術研究院）

第四，從細節上也能體會到嫦娥三號設計的精妙細緻。例如“月船2號”的主承力結構是一般衞星採用的圓柱承力筒，整體重心偏高，所以只能在發射前一年臨時更改設計，加大了着陸腿展開的直徑以確保穩定性。

​而嫦娥三號的主承力結構是全新設計的，推進劑貯箱並聯，大大降低了重心高度。

嫦娥三號結構佈局（圖/中國空間技術研究院）

當然，“月船2號”也不乏精彩的細節。什麼樣的細節呢？

例如，印度科學家對普拉剛月球車的輪子進行了特殊的設計，使得它每次轉圈時都能在月壤上留下印度國徽和ISRO標誌的印記。

印度月球車的獨特設計（圖/ISRO）

我必須承認，看到石豪師弟的這段，我受到了極大的震動：這樣都行啊！你們真是天才！

想想看，印度追求的都是些什麼目標：先於中國把國旗扔上月球，用月球車把自己的圖騰印到月球表面。這也太有印度特色了！

在“月船2號”着陸失敗後，一位不願透露姓名的ISRO官員告訴《印度時報》，“月船2號”的任務只有5%失敗了，因為其餘95%的載荷都在軌道器上。

這話真是好有道理，讓人無法反駁。

沒有能打更高軌道的火箭？沒關係，帶軌道器就好。

沒有夠用的變推力發動機？沒關係，多放幾台就好。

沒有餘量做完整熱控設計？沒關係，只工作14天就好。

當你的目標足夠小的時候，總是能實現的。怪不得石豪這篇文章的題目叫做《印度登月的“小目標”》

印度人民就是這麼樂觀，你能怎麼辦？

最後，我們有一個好消息。掉到月球上的月船2號被找到了，ISRO的主管説正在嘗試聯繫。如果能成功，那就是一個真正的技術奇蹟。

祝印度好運！