文/遲惑

2019年9月，印度空間研究組織的月船2號探測器攜帶著維克拉姆號登陸器，開始了這個國家歷史上第1次向月球表面軟著陸的努力，所選擇的位置是月球北極地區(qū)的一塊平地。但是，這個以印度航天先驅(qū)命名的探測器，并沒有成功著陸，反而砸在了月球表面的陰影里。雖然印度總理莫迪稱這次任務(wù)取得了99%的成功，但是如果我們回顧印度人在發(fā)射之前宣布的目標(biāo)，會發(fā)現(xiàn)這次任務(wù)應(yīng)該認(rèn)為是基本失敗了。

關(guān)于“維克拉姆號”墜毀的時間表，印度空間研究組織至今也沒有給出一個令人信服的說法，各方面只能通過有限的數(shù)據(jù)進(jìn)行推測，我們在這里就不再贅述了。但不管怎么說，這次著陸的過程肯定不像印度人自己說的那樣，“成功了99%”“功虧一簣”等等。

真正的印度制造

印度的許多前沿型號上，都有濃厚的國外技術(shù)痕跡。不過“月船2號”卻真的是印度獨立設(shè)計制造，這種獨立自主并不是印度想要的，而是被逼無奈。

“月船2號”由軌道器、著陸器和漫游車三部分組成。軌道器的名字也叫“月船2號”，著陸器稱為“維克拉姆號”。

▲印度除了依靠美國，也動用了自己的深空測控站

▲印度空間研究組織負(fù)責(zé)人在發(fā)射現(xiàn)場督戰(zhàn)

軌道器的起飛質(zhì)量大約是2379千克，其中有1697千克是推進(jìn)劑，軌道器的發(fā)電能力是1千瓦，根據(jù)設(shè)計它能夠繞月球飛行7.5年，如果在月球及軌道上的保持比較理想，還可以再延長一年。月船2號軌道器是由印度斯坦航空工業(yè)公司制造的，這家公司在國際航空界享有“盛譽(yù)”，凡是經(jīng)它維修的飛機(jī)幾乎全都墜毀了，被戲稱為印度航空兵最可怕的敵人。不過從“月船1號”和“月船2號”的飛行情況來看，這家企業(yè)在制造航天器方面的質(zhì)量控制還算不錯。

維克拉姆號著陸器連同月球漫游車發(fā)射質(zhì)量總計1471千克，按照計劃，它從軌道器上分離之后，將首先進(jìn)入一條近月點30公里、遠(yuǎn)月點100公里的軌道，然后用液體發(fā)動機(jī)逐步下降。維克拉姆號著陸器不是印度斯塔航空公司的作品，它是由印度空間應(yīng)用中心研制的。

▲印度空間研究組織尋找“維克拉姆號“

“維克拉姆號”所攜帶的月球車非常小，發(fā)射質(zhì)量只有27千克，據(jù)說它僅僅由太陽能電池來提供電力。它有6個輪子，各用一臺無刷電機(jī)驅(qū)動，設(shè)計速度是每秒鐘一厘米，設(shè)計行程為500米。漫游車本身不具備和地球通信的能力，所探測到的數(shù)據(jù)要通過著陸器轉(zhuǎn)發(fā)。這輛月球車只有兩件主要科學(xué)儀器，一是立體成像相機(jī)，用來生成三維圖像。另一臺是阿爾法粒子激發(fā)x射線波譜儀。據(jù)說月球車的6個輪子上都刻著印度的國旗，可以在月球表面留下印度的痕跡，不過由于“維克拉姆號”著陸失敗，這臺獨具匠心的月球車也失去了在月球上蓋印章的機(jī)會。

靠不住的俄國人？

有一些觀點認(rèn)為，“維克拉姆號”的下降發(fā)動機(jī)是來自俄羅斯的，因此俄羅斯要為軟著陸的失敗承擔(dān)很大責(zé)任。但這種觀點實際上并沒有事實依據(jù)。印度確實曾經(jīng)打算和俄羅斯合作研制“月船2號”，重點就是著陸器。然而這件事情無果而終，著陸器還是印度人自己搞的。

▲印度空間研究組織發(fā)布的“月船2號”軌道方案

▲印度空間研究組織給出的“維克拉姆號”下降軌跡

▲印度擁有32米和16米的深空測控天線

早在2007年11月12日，印度空間研究組織就和俄羅斯聯(lián)邦航天局簽署了關(guān)于“月船2號”的合作協(xié)議，由印度空間研究組織作為總承包方，研制軌道器和漫游車，俄羅斯聯(lián)邦航天局負(fù)責(zé)提供著陸器。2008年9月18日，印度內(nèi)閣在總理曼莫漢·辛格的主持下召開專題會議，批準(zhǔn)了這份合作協(xié)議。2009年8月探測器總體設(shè)計完成，兩國技術(shù)人員開始進(jìn)入工程實施階段。

印度這樣的選擇在情理之中，因為蘇聯(lián)是世界上第一個實現(xiàn)無人著陸器降落在月球表面的，雖然俄羅斯航天與蘇聯(lián)航天相比不可同日而語，但畢竟還是繼承了它的衣缽。

印度空間研究組織嚴(yán)格按照計劃執(zhí)行著研制進(jìn)度，拿出了“月船2號”的有效載荷。但是到2013年1月，因為俄羅斯沒有能夠按時把著陸器拿出來，所以發(fā)射日期推遲到了2016年，此后不久，由于發(fā)射“福布斯-土壤”火星探測器時遭遇失敗，俄羅斯聯(lián)邦航天局退出了“月船2號”的合作。

俄羅斯航天局退出后，印度空間研究組織只好靠自己。但從頭研制著陸器需要時間，所以把發(fā)射日期推遲到了2018年3月，后來又推遲到了4月，之后又打算推遲到10月。到了2018年的6月19日，印度空間研究組織召開了第4次總體技術(shù)評審會，對系統(tǒng)配置和著陸程序做出了一些修改，這導(dǎo)致發(fā)射日期進(jìn)一步推遲到2019年上半年。然而在2019年2月的一次實驗中，著陸器的兩條支腿遭到了些許破壞，發(fā)射日期只好推遲到2019年的7月14日，而著陸日期推遲到了2019年的9月6日。發(fā)射之前又發(fā)現(xiàn)了一些技術(shù)上的瑕疵，導(dǎo)致發(fā)射日期推遲到了7月22日，這一次沒有再發(fā)生推遲。

▲“維克拉姆號”打算在月球極區(qū)找水

▲“月船2號”的月球車很小

800牛頓發(fā)動機(jī)從哪里來？

目前各種資料都顯示，“維克拉姆號”使用的下降發(fā)動機(jī)有兩種，一種推力為80牛頓，一種推力為800牛頓。800牛頓推力的發(fā)動機(jī)起到主減速發(fā)動機(jī)的作用，而它的技術(shù)來源于印度GSAT通信衛(wèi)星平臺的遠(yuǎn)地點發(fā)動機(jī)。

地球靜止軌道通信衛(wèi)星采用遠(yuǎn)地點發(fā)動機(jī)是一種很普遍的設(shè)計。但多數(shù)遠(yuǎn)地點發(fā)動機(jī)的推力都是490牛頓左右，印度人的發(fā)動機(jī)推力卻只有440牛頓。它用在印度自己的地球靜止軌道衛(wèi)星上還算是成功的，但是用來做月球著陸器的反推發(fā)動機(jī)就有些不足了。

因此，印度空間研究組織通過一些研發(fā)工作，把這種發(fā)動機(jī)的推力增大到了800牛頓。研發(fā)的細(xì)節(jié)基本上沒有披露，我們只是在互聯(lián)網(wǎng)上找到了一點有限的資料，是印度空間研究組織發(fā)動機(jī)研制部門當(dāng)中負(fù)責(zé)燃料噴嘴的兩位專家撰寫的。在論文的摘要中，兩位印度專家指出，他們已經(jīng)進(jìn)行了一系列的實驗，噴嘴流量達(dá)到了設(shè)計最大流量的87%，這就讓人有些疑惑。一般來說，用于航天飛行的器件和分系統(tǒng)，都要在超過設(shè)計指標(biāo)的條件下試運(yùn)行，來考察設(shè)計的可靠性和強(qiáng)健度，考驗它能不能適應(yīng)極端條件下的使用。在其他的資料搜索當(dāng)中，我們也沒有發(fā)現(xiàn)印度方面進(jìn)行了更大流量的實驗。如果僅僅測試了87%的最大流量，就直接裝機(jī)上天飛行了，實在是一件不太嚴(yán)肅的事情。

▲“月船2號”升空備受印度媒體關(guān)注

▲“月船2號”和“維克拉姆號”組合在月球上空飛行

▲測試中的“維克拉姆號”，“月船2號”在后方

為什么在極區(qū)著陸

“維克拉姆號”這次的著陸地點選擇在了月球北極附近，應(yīng)該說這個位置不完全在月球正面，對于地面觀測和指揮控制來說有著一定的難度。那么印度為什么要選擇這么一個位置呢？這可以從政治和科學(xué)兩個方面來解釋。

從科學(xué)角度來說，人們普遍推測，月球上即使有水，也只可能存在于兩級地區(qū)。這里比較寒冷，或許會有一些水冰蘊(yùn)藏。如果能在兩極地區(qū)真正找到水，就為人類下一步開發(fā)利用月球，甚至于長期駐守月球提供了基本條件。

從政治角度來說，美國，蘇聯(lián)/俄羅斯都是在月球正面著陸的，中國在月球背面著陸引起了國際轟動。但是以印度的航天科學(xué)實力，不可能實現(xiàn)在月球背面的著陸，那么怎樣選擇一個別人都沒有著陸過的地區(qū)，來實現(xiàn)月球探測的突破呢？那么此前沒有人著陸過的月球極區(qū)可能是一個相對比較理想的選擇。

失敗的原因

到目前為止，所有在月球表面軟著陸的探測器都采用了幾乎一樣的彈道方案。也就是先繞月飛行，然后噴氣制動，把探測器的姿態(tài)從平飛轉(zhuǎn)向傾斜向下的飛行，逐步下降，最后降落在一個平坦的區(qū)域。

這個過程需要對著陸器本身的姿態(tài)和速度做極為精確的控制。特別是減速用的主發(fā)動機(jī)，要求其推力可以精細(xì)調(diào)節(jié)。中國為了實現(xiàn)“嫦娥四號”的安全落月，研制生產(chǎn)了一種推力在7500牛頓到1500牛頓之間無極可調(diào)的著陸發(fā)動機(jī)，這樣在整個向月面的下降和調(diào)姿調(diào)速過程當(dāng)中，都能根據(jù)地形的變化，精確而細(xì)致地控制推力，最后實現(xiàn)了著陸。

然而印度沒有可調(diào)推力發(fā)動機(jī)，只能用5臺推力固定為800牛頓的發(fā)動機(jī)制動和下降。實際上印度空間研究組織為“維克拉姆號”設(shè)計了一種手動擋式的著陸反推設(shè)計。就是說在下降過程當(dāng)中，先用5臺發(fā)動機(jī)實現(xiàn)減速，隨著向月面著陸的過程不斷推進(jìn)，距離不斷減小，一臺一臺地關(guān)掉800牛頓發(fā)動機(jī)，最后只保留兩臺，實現(xiàn)探測器的著陸。

▲“創(chuàng)世紀(jì)號”同樣沒有解決變推力發(fā)動機(jī)的問題

▲“創(chuàng)世紀(jì)號”發(fā)回的最后一張照片

這樣的推力變化方式，對于控制系統(tǒng)設(shè)計來說，簡直就是一場噩夢。而且所減少的推力不是幾十牛頓幾牛頓，而是整整800牛頓，這會在推力曲線上呈現(xiàn)出非?？植赖臄嘌?。實際上我們稱之為手動擋都不一定合適，因為在手動擋汽車上換擋之后，司機(jī)可以通過人力控制油門來實現(xiàn)事實上的驅(qū)動功率平滑過渡。但是在維克拉姆號著陸器上并不具備這樣的功能。所以筆者非常懷疑，維克拉姆號著陸器實際上在第1次800牛頓發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)的時候就已經(jīng)失控翻滾著掉到月球上去了，印度空間研究組織目前發(fā)布的數(shù)據(jù)還不足以證明這個推測是不是正確。但是10月4日，在“維克拉姆號”著陸失敗后差不多一個月后，美國商務(wù)部部長羅斯訪問了班加羅爾，會見了印度空間研究組織負(fù)責(zé)人。事后，他對印度媒體說，無論美國政府還是美國宇航局，都已經(jīng)沒有辦法再為“月球2號”和“維克拉姆號”做些什么了。因為“維克拉姆號”的通信系統(tǒng)是印度人自己研制的，美國人無能為力。

在對此事的報道當(dāng)中，印度媒體也在不經(jīng)意間透露了這樣一個事實，在“維克拉姆號”的下降過程當(dāng)中，由于姿態(tài)控制上的問題，反推發(fā)動機(jī)實際上是朝著天空而不是朝著月面噴射。這樣肯定不能起到減速的作用，反而是把“維克拉姆號”加速推向月球。因此，我們現(xiàn)在所要關(guān)心的是“維克拉姆號”到底摔成了多少塊，而不是它到底距離預(yù)定著陸地點多遠(yuǎn)。

既然沒有高性能的變推力發(fā)動機(jī)，那么在控制當(dāng)中還可以采取另外一個辦法，就是更加精密地控制姿態(tài)，控制發(fā)動機(jī)的噴射時間，用更短促的噴射來實現(xiàn)所需要的沖量，這樣著陸器的下降過程可能會更加顛簸一些，但是也可以實現(xiàn)成功著陸。然而這對控制系統(tǒng)的靈敏度，特別是發(fā)動機(jī)本身和燃料輸送系統(tǒng)電磁閥的開閉響應(yīng)能力，提出了更苛刻的要求。印度空間研究組織顯然是做不到的。

實際上以色列的“創(chuàng)世紀(jì)號”月球著陸器采用的也是固定推力發(fā)動機(jī)，也遇到了和“維克拉姆號”同樣的問題。從視頻情況看，以色列方面的控制系統(tǒng)設(shè)計師水平可能更高一些。我們確切地看到了“創(chuàng)世紀(jì)號”在月球表面減速轉(zhuǎn)向，然后垂直下降的過程。但是很顯然，“創(chuàng)世紀(jì)號”剛剛把姿態(tài)調(diào)整為垂直下落，就失控了。從這個角度來說，變推力發(fā)動機(jī)看來是月球著陸必備的關(guān)鍵分系統(tǒng)。

▲“維克拉姆號”的理想降落狀態(tài)

殘骸無處尋

維克拉姆號著陸器失敗以后，印度方面動用了很大的力量來查找它的下落。這在很大程度上也是為了給自己一個交代，“維克拉姆號”到底掉在了什么地方，摔成了什么樣子，自己距離真正意義上的成功還有多遠(yuǎn)，這可能是印度航天科研工作者非常想知道的。

印度動用了兩種資源來查找“維克拉姆號”的下落。一種是它自己的軌道器，也就是月船2號繞月飛行器，另一種就是美國的月球勘測軌道器?！熬S克拉姆號”失敗之后沒有多久，印度空間研究組織就放出消息，說“月船2號”已經(jīng)拍攝到了“維克拉姆號”的殘骸，距離預(yù)定著陸地點并不遠(yuǎn)。但是提供給媒體的照片卻讓人疑竇叢生，這是一張分辨率極低的的廣角照片，幾乎小半個月球都呈現(xiàn)在這張照片上，要在這樣小比例尺的圖片上找到一個一米多直徑的著陸器幾乎是不可能的，而且這個著陸器很可能已經(jīng)摔得七零八落了。月球勘測軌道器也對著陸地點進(jìn)行了多輪拍攝，并沒有發(fā)現(xiàn)探測器的殘骸。據(jù)美國宇航局方面解釋，這是因為墜毀地點處在山脈的陰影當(dāng)中。月球上沒有大氣，因此也就不可能折射太陽光，陰影之處就是真正意義上的黑暗，什么都看不見，什么也拍不到。月球勘測軌道器是一顆分辨率非常高的探測器，我們可以認(rèn)為它是月球的高分辨率遙感衛(wèi)星。在國際月球探測當(dāng)中，月球勘測軌道器發(fā)揮了重大的作用，中國在為“嫦娥四號”選擇著陸地點的時候，也大量使用了月球勘測軌道器提供的遙感圖像。所以月球勘測軌道器沒有拍到“維克拉姆號”的殘骸，并不是美國人在故意搪塞，而是真的什么都沒有拍到。

部分印度媒體在“維克拉姆號”失去聯(lián)系之后，還發(fā)出了奇怪的言論，稱美國的深空測控通信網(wǎng)（簡稱深空網(wǎng)）在“維克拉姆號”即將著陸的時候，突然切斷了通信，導(dǎo)致著陸失敗。這種無稽之談，反映了印度文化傳統(tǒng)當(dāng)中的一種惡習(xí)，出了壞事就把責(zé)任推給其他人。

深空網(wǎng)是這個世界上功能最強(qiáng)大的空間探測基礎(chǔ)設(shè)施之一。除了中國之外，世界各國的深空探測項目，包括日本、印度、俄羅斯和歐洲，都要在星際探測活動中部分借助深空網(wǎng)。當(dāng)然，這些國家也會為美國提供自己的測控資源，這是航天國際合作的一種默認(rèn)模式。中國之所以無法使用深空網(wǎng)的優(yōu)異性能，主要是因為美國政客設(shè)置了極為不合理的政治障礙，使美國宇航局無法和中國開展空間技術(shù)合作。實際上深空網(wǎng)在近幾十年的國際星際探索當(dāng)中一直在發(fā)揮相當(dāng)積極而正面的作用，各方對它的評價都很高。印度空間研究組織從官方層面上也沒有呼應(yīng)這種無稽之談。實際上“維克拉姆號”的墜毀才是造成信號中斷的原因，而不是因果相反。

▲月球勘測軌道器拍攝到了嫦娥四號，但是沒有找到“維克拉姆號”的殘骸