同是探月任务,为何印度探测器偏要多飞几十天?

2019-07-27 16:18:15 来源: 观察者网 举报
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(原标题:李会超:同是探月任务,为何印度探测器偏要多飞几十天?)

【文/观察者网专栏作者 李会超】

在历经波折后,印度的第二艘月球探测器“月船2号”终于在当地时间22日,由自家的GSLV MkIII火箭发射升空,开始了印度的第二次探月任务。一旦取得成功,印度将成为世界上第四个成功实现航天器月面软着陆的国家。然而,各国媒体在广泛报道印度这次雄心勃勃的登月任务的同时,似乎全都忽略了一个细节:与其他探月任务相比,印度人的月球之路似乎显得有些漫长。从发射到月面软着落,中间要经历长达一个半月的时间。这背后,折射出的是印度航天难以与其野心相匹配的技术水平。

不按套路出牌的月船2号

目前,对月球和其他行星的探测手段主要有环绕探测、原位探测和巡视探测三种。环绕探测,主要通过运行在环绕月球、火星等其他天体轨道上的航天器,通过遥感探测的手段来完成。而原位探测则是利用在天体表面着陆的探测器,对探测器所在位置的岩石、大气或生物信息开展探测。巡视探测同样是在行星表面进行,但由于是由月球车这类可以移动的巡视器进行,因此探测范围能比原位探测有所扩展。环绕探测可以使我们获得有关火星较为全面的信息,而原位和巡视探测则能够使我们获得更为的精细信息。目前,科学家们一般会综合使用者几种方法对月球和行星展开探测。

对于美中俄这三个航天大国来说,实施月球或行星的探测任务时,一般会将环绕探测和着陆、巡视探测的探测器分开设计、制造和发射。一方面,为了获得丰富和精确的科研成果,执行某一类探测任务的航天器的重量就已经到达了火箭运载能力的上限,需要分开发射。另一方面,环绕探测无需着陆,而着陆、巡视探测还要在特定点实现软着落,任务实施过程的复杂程度较高,将这两类探测任务分开进行,可以规避任务设计中一些不必要的麻烦,降低风险、提高可靠性。

(月船2号结构示意图,上方为着陆器,下方为轨道器,巡视器处于着陆器之中)

然而,印度人就偏偏不按套路出牌,在月船二号中打包了实施三种探测手段的探测器——一台重约2.4吨的轨道器、一台重约1.5吨的着陆器和一台重约0.02吨的巡视器(又称月球车)。这三个探测器首先组成一个整体,从地球发射并飞往月球。着陆器于月面降落前6天与轨道器分离,之后轨道器开始自己的环绕探测,而着陆器则进一步调整轨道,携带着月球车在月球南极软着陆。这种模式和阿波罗飞船载人登月时,指令舱留在环月轨道,登月舱搭载宇航员登月的路数有几分相似。然而,美国人是在通过多搜无人探测器和载人的阿波罗飞船进行测试飞行,充分验证有关技术后才敢进行这样的操作。而我们的印度同行也许是颇具大干快上的精神,在“月船1号”任务实际寿命不及设计寿命的一半,完成的并没有那么完美的情况下,就采用了这种印度一次顶其他国家两次的玩法,其勇气颇让人敬佩。而如果登陆取得成功,月船2号的着陆器和巡视器的设计寿命也只有14天,又给人一种虎头蛇尾的感觉

(印度探月一次顶其他国家探月两次,和他们的摩托车国技有异曲同工之妙)

地球附近转圈圈

探测器从地球飞往月球的过程中,一般要通过地月转移轨道进行。这种椭圆轨道的近地点处于地球附近,远地点处于月球附近,属于霍曼转移轨道的一个具体实现。一般来说,运载火箭从地面发射后会先连续工作一段时间,将航天器送入一个特定的高度较低的轨道。之后,火箭的上面级或航天器本身的发动机在再适当的机会工作,改变航天器所在轨道近地点和远地点的高度,进入地月转移轨道中。

一旦航天器进入地月转移轨道,其从地球附近到月球附近的飞行时间就是固定的,大约为5天,这是由轨道力学的科学原理所决定的。然而,月船2号却要在地球附近逗留23天之久,才能真正进入地月转移轨道,踏上奔上奔月之路。从地球到月球,月船2号要走整整30天。

(从嫦娥二号开始,我国掌握了直接进入地月转移轨道的技术,探测器无需再在地球附近兜圈子)

那么在这23天里,“月船2号”在忙什么呢?答案是在地球附近转圈圈。

从火箭发射时最初进入的轨道到地月转移轨道,既可以一次完成,又可以分成几次完成。例如,在我国的嫦娥工程实施过程中,嫦娥一号发射时首先由火箭送入了200km x 51000km的椭圆轨道,周期为15.81小时,之后再分别实施机动,通过周期为16小时、24小时、48小时的三条轨道过渡,最终进入地月转移轨道。从嫦娥二号任务开始,我国掌握了直接地月转移轨道发射和飞行技术,嫦娥探测器与火箭分离后滑行道合适位置,一次开机就可以直接踏上奔月之旅,无需再经三条轨道慢慢调整,将从地球到月球的时间从12天缩短到5天。这个提升背后,是我国航天技术人员通过工程实践,掌握了直接奔月轨道设计和”分秒不差”的零窗口发射等关键技术,火箭运载能力和入轨精度达到了直接奔月的水平。

(印度学者在AIAA于2018年1月举办的一次学术会议上发表的学术论文(doi:10.2514/6.2018-2178)中给出的月船2号轨道示意图。发表论文的学者似乎还觉得月船2号在地球附近兜的圈子不够多,又在图中给月船2号多画了几条轨道)

而印度的月月船2号发射入轨后,则要经历多达6次的轨道调整,经过5条轨道的过渡后才能进入地月转移轨道。由于远地点的抬升需要在近地点进行,且一般要通过遥测确定实际进入的轨道和理论值间的偏差,因此卫星在完成一次变轨后,往往要在轨道上运行一圈或多圈才能进行下一次变轨。随着轨道高度的逐渐提升,每运行一圈花费的时间也在增加,造成了月船二号在地球附近的长时间徘徊。而经历如此多次的变轨,在地球附近磨蹭23天,在全世界的探月任务中都是不常见的,也许是又一个“印度创造”了。

(印度太空研究机构给出的月船2号轨道数据和变轨操作时间表)

为何不能一气呵成?

那么印度为什么要在地球附近折腾这么多天呢?笔者认为,可能的原因有两个:

第一是印度的轨道设计水平、飞行器测控定轨精度水平和飞行器变轨精度水平较低。经常开车的朋友知道,如果司机驾驶技术较为娴熟,在倒车入库、侧方停车时往往可以观察好当时的环境,准确的选择好停车、打轮的时机,控制好车速,准确的一把完成。而如果驾驶技术捉急,则往往要不断的修正上一次动作的偏差,反复前进后退后才能搞定。10年前,“月船1号”就采用了类似的6次变轨才进入地月转移轨道。而和中国的嫦娥探月每次都有技术提升所不同的是,印度人在这10年里似乎在轨道技术上毫无进展。

第二是印度的火箭运载能力可能存在瓶颈。发射月船2号的GSLV MkIII火箭看外观起来气宇轩昂,像是一个翻版的阿丽亚娜5型火箭,但实际运载能力却十分有限。从衡量高轨发射能力的GTO轨道运载能力看,GSLV MKIII仅为4吨,低于我国上一代高轨运载火箭长征3号乙的5.5吨,和阿丽亚娜5 ECA、长征5号等重型运载火箭更不是一个级别。更令人感到不可思议的是,虽然GSLV MKIII有用的运载能力不高,但其本身的重量却高达六百多吨,已经接近了阿丽亚娜5 ECA的水平,给人一种大客车的身段、中巴车的载客能力的感觉。有限的运载能力,只将月船2号送到了170 x 45475 km高度的轨道上。而将一次变轨分成多次执行,可能有助于降低变轨中的“重力损失”效应影响,在一定程度上节省燃料,保证探测器有足够的燃料完成后面的任务。

(印度GSLV MKIII型火箭,号称印度最强,实际运载能力不及长征三号乙)

GSLV MKIII火箭在动力配置上也堪称奇特,火箭起飞时中间的芯级并不输出动力,只靠两侧的两个固体助推器来完成相当于其他火箭第一级的工作。然而,固体火箭具有比冲不足的先天劣势,其他国家在使用时一般只作为助推器,用来帮助使用液体燃料的第一级增加推力,而不会越俎代庖直接去承担第一级的工作。此外,这种火箭中间的燃料箱看起来体积较大,外观上让人感觉似乎是使用液氧/液氢无毒高比冲燃料的“绿箭”,但实际上却是使用有毒的偏二甲肼/四氧化二氮的“毒箭”。而其他国家在使用这种燃料时一般不会把火箭的外形做的如此夸张。

结语

对于需要在月球表面着陆的探测器来说,风险最大的阶段就是在月球表面附近实施软着陆的阶段。不久前以色列发射的探测器,在着陆月球过程中于距离月球表面149米处失控坠毁。而我国的嫦娥三号和嫦娥四号均能顺利着陆月球,靠的是中国航天一步一个脚印的技术积累与攻关。为了落月成功,我们建立了遍布全球的深空测控网,地球东西半球的数个65米大型测控天线精密的监控着嫦娥的位置与状态、发出下一步行动的指令。至于印度的朋友们,似乎更热衷对标中国搞大新闻,而对自己的能力水平鲜有清楚的认识。月船2号能否如他们所愿,让印度称为第四个能够在月球上成功实现航天器软着陆的国家,让我们拭目以待一个半月后的答案。

王凤枝 本文来源:观察者网 责任编辑:王凤枝_NT2541
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