低成本博大价值印度登月或因发动机故障遗憾收场

科普中国-科普融合创作与传播 2019-09-11

　　出品：科普中国

　　制作：川陀太空

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　印度月船二号释放的维克拉姆着陆器已经在9月7日的落月过程中与位于班加罗尔的地面控制站失联，至此，印度月船二号任务登月部分基本结束，轨道器还在工作中。

　　位于班加罗尔附近的地面控制中心一角图片来源：thehindu.com

　　从任务分配上看，印度给出的轨道器戏份为95%，着陆器为5%，这意味着月船二号是否成功关键看轨道器，着陆器只有14天的存活时间。虽然在电力系统上有唤醒设计，但载荷不挨冻，如果降落成功，也只能活半个月。

　　从投入上看，月船二号总投入为97亿卢比，相当于1.36亿美元，其中探测器部分花费60.8亿卢比，相当于8500万美元，剩余的是GSLV MK-III火箭的发射费用。月船二号延续了印度火星探测器的风格，低成本投入博取更大的价值，这个价值就是世界第四个实现月面软着陆的国家。

　　维克拉姆着陆器即便落月也只能存活14天图片来源:ISRO

　　由拜神引发的一系列问题

　　印度花小钱办大事的风格也决定了维克拉姆着陆器如果能够成功，那也是人品爆发，不成功算是比较符合客观规律。也难怪ISRO印度空间研究组织的主席K. Sivan博士在今年7月7日于泰米尔纳德邦的一座寺庙内进行祈祷，寻求神灵的帮助。

　　说到印度科学家拜神的事，川陀太空指出，印度在月船一号发射之前也举办了拜神仪式，在7月15日第一次发射前没有拜神，巧合的是，这次出现技术故障、发射推迟。于是在7月22日二次发射前举办了拜神仪式，结果发射成功了。接下来更有趣的事出现了，这次印度空间研究组织搞的拜神有点怪异，他们拜的Chandranaar神庙是掌管月球的，这点没错，但里面还有一个主神，叫做湿婆神，这是印度教里面的毁灭之神。看到这里也基本明白了：月球、毁灭，基本描述了月船二号的结局。

　　印度空间研究组织的主席K. Sivan博士正在祈求神灵庇护

　　图片来源：metro.co.uk

　　维克拉姆着陆器原计划降落在靠近月球南极的南纬70.9度、东经22.8度附近。从地球上看，就位于月球南极的边缘上，但还算是处于月球正面，通信上不存在逻辑问题。按照维克拉姆着陆器落月设计程序，着陆器与轨道器分离高度距离月球表面100公里，着陆器启动火箭推进器，进入一条距离近地点100公里，远月点35公里的轨道上。

　　4台节流发动机故障嫌疑最大

　　进入下降程序后，维克拉姆着陆器进入15分钟的降落过程，K. Sivan博士称之为恐怖的15分钟。说这是恐怖时刻，其实一点也不恐怖，至少通信没有理由中断，不像进入火星大气层或者重返地球时出现的黑障，毕竟月球几乎是没有大气结构，更不需要隔热设计。K. Sivan博士所认为的恐怖指的是着陆器自主动力下降段，着陆器在这15分钟内速度将发生较大的变化，从30公里高度、每小时6000公里的速度要大大降低。维克拉姆着陆器在这个阶段表现不错，通过4个节流发动机控制速度，高度在7公里时速度已经降低到每小时22公里。之后在导航段和精细降落段出现了问题，本应该从7公里高度降低到400米，并保持四个着陆支架是向下，但在2.1公里高度之后发生了异常，所有通信都被切断，于是我们就看到跟踪台上出现了突然下降的轨迹，印度科学家也意识到基本完蛋了。

　　与着陆器通信中断后地面控制中心的印度科学家们表情沉重

　　图片来源：metro.co.uk

　　着陆器在降落的时候会一边拍照一边比对着陆器上存储的地形图像，这种地形匹配系统我们也可以在巡航导弹低空飞行时接触到，程序设计上是没有问题的。最大嫌疑应该是四个节流发动机，4台800N发动机要同步运行，通过节流控制改变推力，如果其中一个发动机出现异常或者突然增加推力等行为，那么肯定会导致着陆器失控。

　　维克拉姆着陆器上搭载的4台800N节流发动机，印度对其技术掌握不足

　　图片来源：ISRO

　　需要指出的是，维克拉姆着陆器上搭载的节流发动机是第一次使用，之前印度做的模拟登陆，成功率也刚刚过50%。从距离月面400米到100米高度之间，维克拉姆着陆器需要通过2台发动机进行控制，并在这个高度上悬停，利用激光高度计和摄像头寻找合适的着陆区。一旦选择好了着陆区，那么维克拉姆着陆器会启动底部的中心发动机，一直下降到距离月面13米高度，当四个着陆腿支架接触月面时，发动机才关闭。从降落程序上看，维克拉姆着陆器降到2.1公里高度之后发生的通信中断不是一个首要因素，发动机可能从四台改为两台的过程中全关闭了，或者突然增加推力，甚至是有一个机动动作失效，导致着陆器姿态出现翻滚，进而导致通信中断。根据控制中心屏幕上的数据，在高度335米时垂直速度还有每秒59米，水平速度为每秒48米，也可以看出维克拉姆着陆器和嫦娥3号在2公里高度悬停的方式不一样。

　　硬着陆后幸存可能性为零

　　从以上分析可以看出，维克拉姆着陆器最大的问题在于4台800N节流发动机和指令代码是否正确。同时，在2.1公里高度为什么着陆器会偏离航迹1公里，偏航有可能是一侧4台转向发动机都停止工作。至于通信故障，印度这次得到了美国宇航员设在马德里的深空网络的支持，通信方面出问题的可能性较低。如果是发动机推力异常，导致着陆器姿态翻滚，通信天线指向错乱也会导致通信中断。目前问题集中在4台800N节流发动机上，任何一台出现推力异常都会导致着陆器失控，这也是印度对节流变推发动机技术掌握不佳，仓促上马的后果。

　　月船二号在4375公里高度拍摄的月面图像图片来源：ISRO

　　维克拉姆着陆器失联之后，印度也调用月船二号轨道器对着陆器进行搜索。9月9日,印度空间研究组织已经发布消息，声称找到了着陆器，最后是硬着陆状态。在航天领域，硬着陆是未经减速或者减速效果不明显后直接着陆的方式。维克拉姆着陆器支架只能承受每秒2米的垂直速度。

　　判定维克拉姆着陆器是否完好也非常简单，通过比对轨道照片可以分析着陆器是否坠毁爆炸还是处于安全降落状态。如果是坠毁爆炸，地面上会形成黑色的爆炸印记，以色列Beresheet月球着陆器坠毁就是根据NASA月球勘测轨道飞行器的照片比对后得出的结论。维克拉姆着陆器如果采用与嫦娥3号类似的悬停后对月面拍照降落，那么生还可能性为零，从1至2公里高度翻滚摔下来没有幸存可能。如果采用直接落月，即在距离月面数十米高度仍然有水平速度的方式落月，那么或许还有希望，但这种希望。但也仅限于没有爆炸，相当于一屁股坐到了月面上，并且伴随翻滚，而不是轻轻停落在月面。