李會超：同是探月任務，為何印度探測器偏要多飛幾十天？

【文/觀察者網專欄作者 李會超】

在歷經波折後，印度的第二艘月球探測器“月船2號”終於在當地時間22日，由自家的GSLV MkIII火箭發射升空，開始了印度的第二次探月任務。一旦取得成功，印度將成為世界上第四個成功實現航天器月面軟着陸的國家。然而，各國媒體在廣泛報道印度這次雄心勃勃的登月任務的同時，似乎全都忽略了一個細節：與其他探月任務相比，印度人的月球之路似乎顯得有些漫長。從發射到月面軟着落，中間要經歷長達一個半月的時間。這背後，折射出的是印度航天難以與其野心相匹配的技術水平。

不按套路出牌的月船2號

目前，對月球和其他行星的探測手段主要有環繞探測、原位探測和巡視探測三種。環繞探測，主要通過運行在環繞月球、火星等其他天體軌道上的航天器，通過遙感探測的手段來完成。而原位探測則是利用在天體表面着陸的探測器，對探測器所在位置的岩石、大氣或生物信息開展探測。巡視探測同樣是在行星表面進行，但由於是由月球車這類可以移動的巡視器進行，因此探測範圍能比原位探測有所擴展。環繞探測可以使我們獲得有關火星較為全面的信息，而原位和巡視探測則能夠使我們獲得更為的精細信息。目前，科學家們一般會綜合使用者幾種方法對月球和行星展開探測。

對於美中俄這三個航天大國來説，實施月球或行星的探測任務時，一般會將環繞探測和着陸、巡視探測的探測器分開設計、製造和發射。一方面，為了獲得豐富和精確的科研成果，執行某一類探測任務的航天器的重量就已經到達了火箭運載能力的上限，需要分開發射。另一方面，環繞探測無需着陸，而着陸、巡視探測還要在特定點實現軟着落，任務實施過程的複雜程度較高，將這兩類探測任務分開進行，可以規避任務設計中一些不必要的麻煩，降低風險、提高可靠性。

（月船2號結構示意圖，上方為着陸器，下方為軌道器，巡視器處於着陸器之中）

然而，印度人就偏偏不按套路出牌，在月船二號中打包了實施三種探測手段的探測器——一台重約2.4噸的軌道器、一台重約1.5噸的着陸器和一台重約0.02噸的巡視器（又稱月球車）。這三個探測器首先組成一個整體，從地球發射並飛往月球。着陸器於月面降落前6天與軌道器分離，之後軌道器開始自己的環繞探測，而着陸器則進一步調整軌道，攜帶着月球車在月球南極軟着陸。這種模式和阿波羅飛船載人登月時，指令艙留在環月軌道，登月艙搭載宇航員登月的路數有幾分相似。然而，美國人是在通過多搜無人探測器和載人的阿波羅飛船進行測試飛行，充分驗證有關技術後才敢進行這樣的操作。而我們的印度同行也許是頗具大幹快上的精神，在“月船1號”任務實際壽命不及設計壽命的一半，完成的並沒有那麼完美的情況下，就採用了這種印度一次頂其他國家兩次的玩法，其勇氣頗讓人敬佩。而如果登陸取得成功，月船2號的着陸器和巡視器的設計壽命也只有14天，又給人一種虎頭蛇尾的感覺。

（印度探月一次頂其他國家探月兩次，和他們的摩托車國技有異曲同工之妙）

地球附近轉圈圈

探測器從地球飛往月球的過程中，一般要通過地月轉移軌道進行。這種橢圓軌道的近地點處於地球附近，遠地點處於月球附近，屬於霍曼轉移軌道的一個具體實現。一般來説，運載火箭從地面發射後會先連續工作一段時間，將航天器送入一個特定的高度較低的軌道。之後，火箭的上面級或航天器本身的發動機在再適當的機會工作，改變航天器所在軌道近地點和遠地點的高度，進入地月轉移軌道中。

一旦航天器進入地月轉移軌道，其從地球附近到月球附近的飛行時間就是固定的，大約為5天，這是由軌道力學的科學原理所決定的。然而，月船2號卻要在地球附近逗留23天之久，才能真正進入地月轉移軌道，踏上奔上奔月之路。從地球到月球，月船2號要走整整30天。

（從嫦娥二號開始，我國掌握了直接進入地月轉移軌道的技術，探測器無需再在地球附近兜圈子）

那麼在這23天裏，“月船2號”在忙什麼呢？答案是在地球附近轉圈圈。

從火箭發射時最初進入的軌道到地月轉移軌道，既可以一次完成，又可以分成幾次完成。例如，在我國的嫦娥工程實施過程中，嫦娥一號發射時首先由火箭送入了200km x 51000km的橢圓軌道，週期為15.81小時，之後再分別實施機動，通過週期為16小時、24小時、48小時的三條軌道過渡，最終進入地月轉移軌道。從嫦娥二號任務開始，我國掌握了直接地月轉移軌道發射和飛行技術，嫦娥探測器與火箭分離後滑行道合適位置，一次開機就可以直接踏上奔月之旅，無需再經三條軌道慢慢調整，將從地球到月球的時間從12天縮短到5天。這個提升背後，是我國航天技術人員通過工程實踐，掌握了直接奔月軌道設計和”分秒不差”的零窗口發射等關鍵技術，火箭運載能力和入軌精度達到了直接奔月的水平。

（印度學者在AIAA於2018年1月舉辦的一次學術會議上發表的學術論文（doi:10.2514/6.2018-2178）中給出的月船2號軌道示意圖。發表論文的學者似乎還覺得月船2號在地球附近兜的圈子不夠多，又在圖中給月船2號多畫了幾條軌道）

而印度的月月船2號發射入軌後，則要經歷多達6次的軌道調整，經過5條軌道的過渡後才能進入地月轉移軌道。由於遠地點的抬升需要在近地點進行，且一般要通過遙測確定實際進入的軌道和理論值間的偏差，因此衞星在完成一次變軌後，往往要在軌道上運行一圈或多圈才能進行下一次變軌。隨着軌道高度的逐漸提升，每運行一圈花費的時間也在增加，造成了月船二號在地球附近的長時間徘徊。而經歷如此多次的變軌，在地球附近磨蹭23天，在全世界的探月任務中都是不常見的，也許是又一個“印度創造”了。

（印度太空研究機構給出的月船2號軌道數據和變軌操作時間表）

為何不能一氣呵成？

那麼印度為什麼要在地球附近折騰這麼多天呢？筆者認為，可能的原因有兩個：

第一是印度的軌道設計水平、飛行器測控定軌精度水平和飛行器變軌精度水平較低。經常開車的朋友知道，如果司機駕駛技術較為嫺熟，在倒車入庫、側方停車時往往可以觀察好當時的環境，準確的選擇好停車、打輪的時機，控制好車速，準確的一把完成。而如果駕駛技術捉急，則往往要不斷的修正上一次動作的偏差，反覆前進後退後才能搞定。10年前，“月船1號”就採用了類似的6次變軌才進入地月轉移軌道。而和中國的嫦娥探月每次都有技術提升所不同的是，印度人在這10年裏似乎在軌道技術上毫無進展。

第二是印度的火箭運載能力可能存在瓶頸。發射月船2號的GSLV MkIII火箭看外觀起來氣宇軒昂，像是一個翻版的阿麗亞娜5型火箭，但實際運載能力卻十分有限。從衡量高軌發射能力的GTO軌道運載能力看，GSLV MKIII僅為4噸，低於我國上一代高軌運載火箭長征3號乙的5.5噸，和阿麗亞娜5 ECA、長征5號等重型運載火箭更不是一個級別。更令人感到不可思議的是，雖然GSLV MKIII有用的運載能力不高，但其本身的重量卻高達六百多噸，已經接近了阿麗亞娜5 ECA的水平，給人一種大客車的身段、中巴車的載客能力的感覺。有限的運載能力，只將月船2號送到了170 x 45475 km高度的軌道上。而將一次變軌分成多次執行，可能有助於降低變軌中的“重力損失”效應影響，在一定程度上節省燃料，保證探測器有足夠的燃料完成後面的任務。

（印度GSLV MKIII型火箭，號稱印度最強，實際運載能力不及長征三號乙）

GSLV MKIII火箭在動力配置上也堪稱奇特，火箭起飛時中間的芯級並不輸出動力，只靠兩側的兩個固體助推器來完成相當於其他火箭第一級的工作。然而，固體火箭具有比衝不足的先天劣勢，其他國家在使用時一般只作為助推器，用來幫助使用液體燃料的第一級增加推力，而不會越俎代庖直接去承擔第一級的工作。此外，這種火箭中間的燃料箱看起來體積較大，外觀上讓人感覺似乎是使用液氧/液氫無毒高比衝燃料的“綠箭”，但實際上卻是使用有毒的偏二甲肼/四氧化二氮的“毒箭”。而其他國家在使用這種燃料時一般不會把火箭的外形做的如此誇張。

結語

對於需要在月球表面着陸的探測器來説，風險最大的階段就是在月球表面附近實施軟着陸的階段。不久前以色列發射的探測器，在着陸月球過程中於距離月球表面149米處失控墜毀。而我國的嫦娥三號和嫦娥四號均能順利着陸月球，靠的是中國航天一步一個腳印的技術積累與攻關。為了落月成功，我們建立了遍佈全球的深空測控網，地球東西半球的數個65米大型測控天線精密的監控着嫦娥的位置與狀態、發出下一步行動的指令。至於印度的朋友們，似乎更熱衷對標中國搞大新聞，而對自己的能力水平鮮有清楚的認識。月船2號能否如他們所願，讓印度稱為第四個能夠在月球上成功實現航天器軟着陸的國家，讓我們拭目以待一個半月後的答案。

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