印度將于2017年執行第二次月球任務

李虹琳（中國航天系統科學與工程研究院）

印度2008年首次成功發射月船－1后，著手實施月船－2月球探測任務，現計劃于2017年前后發射月船－2探測器。月船－2由軌道器、著陸器和月面巡視器組成，由印度獨立研發、印度空間研究組織（ISRO）負責管理，將采用印度地球靜止軌道衛星運載火箭（GSLV）發射。月船－2探測任務為期2年，預計成本約9000萬美元。

1 任務背景和目標

印度在實施月船－1月球探測任務的同時，已著手開展月船－2任務。2007年11月12日，印度空間研究組織與俄羅斯聯邦航天局簽署了共同開發月船－2任務的協議；2008年9月18日，印度政府批準了該項月球探測任務。按照該任務原定計劃，印度空間研究組織提供運載火箭、軌道器和月面巡視器，俄羅斯聯邦航天局提供著陸器，2013年完成探測器的研制和發射。

在月船－2任務實施期間，由于俄羅斯未能按時研發著陸器，使該任務不斷推遲。2012年，俄羅斯宣布“火衛一-土壤”火星探測任務失敗，由于月船－2的著陸器采用了“火衛一-土壤”探測器的部分技術，因而俄羅斯聯邦航天局重新評估用于月船－2著陸器的相關技術，并向印方提議修改技術方案以提高著陸器硬件的可靠性。修改方案將導致著陸器質量增加，迫使印度空間研究組織在保證可靠性的前提下降低巡視器質量，這一提議使月船－2任務的技術方案變動較大，印度未接受俄方提議。

2012年5月，印度對自主研制月球著陸器開展了可行性研究，所得結論認為印度能夠利用2～3年時間開發出月球著陸器，隨后印度空間研究組織對月船－2任務進行了綜合評審。2013年8月14日，印度宣布停止與俄羅斯聯邦航天局原定的合作，確定自主完成第二次月球探測任務。

月船－2工程目標是驗證月面軟著陸能力及相關技術。月船－2科學目標是分析月球的起源和演變；通過分析月球土壤/巖石了解月球的化學組成；分析月球大氣組成等。

2 探測器介紹

探測器平臺

月船－2探測器發射質量2650kg。探測器由軌道器艙和攜帶巡視器的著陸器艙兩部分組成，兩個艙段通過一個隱藏的艙段適配器進行機械連接。

月船－2軌道器的基本結構與月船－1相似。軌道器是1.5m×1.5m×1.5m的立方體，發射質量約1400kg，設計壽命2年，攜帶5臺科學有效載荷，其中3臺是新研制的設備，另外2臺是月船－1有效載荷的改進型。與月船－1相比，月船－2增強了電子器件抗輻射加固和熱控系統的性能。

月船－2軌道器構形示意圖

（1）著陸器

月船－2著陸器和巡視器質量共約1250kg。最初，月船－2著陸器是由俄羅斯與印度聯合開發。當俄羅斯表示即使推遲到2015年也無力提供著陸器時，印度決定獨立開發著陸器。著陸器的設計和初步構型研究已經由印度空間研究組織的空間應用中心（SAC）完成。著陸器將攜帶一套儀器用于研究著陸點的月球表面物質的物理和化學特性。它既可以直接與地面站通信，也可通過軌道器與地面站通信，同時充當巡視器的通信“樞紐”。

（2）巡視器

印度尚未公布巡視器的最后方案。月船－2巡視器質量可能在30～100kg之間（質量大小取決著陸方式等多項因素），設計壽命1個月，具有半自主導航和避障能力，由太陽能電池板提供電能，可對月壤或月巖樣品進行原位化學分析，然后將分析數據傳送給軌道器，軌道器再將數據傳送給地面站。

為確保巡視器安全移動和避障，月船－2巡視器將裝備行走系統、導航相機和控制系統等設備。巡視器裝有6個輪子，每個輪子均由獨立的電機驅動，其中4個輪子具有獨立轉向能力，共有10個電機用于牽引和轉向。巡視器在月面的移動控制由“動態牽引力控制系統”負責，該系統通過控制巡視器4個輪子的獨立轉向裝置，確保巡視器能夠越過粗糙的月球面表；巡視器裝有多臺基于3D成像的立體相機，用于為地面團隊提供控制巡視器移動所需的周圍地表3D圖像。目前，位于坎普爾的印度技術學院（IIT）正在為巡視器開發用于移動的子系統。

有效載荷

月船－2攜帶的科學有效載荷由印度空間科學咨詢委員會主席、印度空間研究組織前主任U?R?拉奧領導的國家專家委員會確定，該委員會成員來自隸屬印度空間研究組織的研究中心，印度的科學研究機構和研發實驗室。

（1）軌道器攜帶的有效載荷

月船－2軌道器將運行在200km高的環月軌道，攜帶的有效載荷主要用于探測月球表面的形態、礦物質及其化學特性、存在水冰的證據以及月球大氣成份等。攜帶的5個有效載荷分別是：

地形繪圖相機（TMC－2）由印度空間研究組織空間應用中心研制，該設備是月船－1所攜帶TMC－1的改進型，用于繪制月表三維圖像，這對研究月球礦物質和地質學是必不可少的。

成像紅外分光計（IIRS）由印度空間研究組織空間應用中心研制，用于繪制月面圖。該設備工作的光譜范圍為0.8～5.0μm，空間分辨率為80m（幅寬40km），探測數據可用于對月球陰暗面的火山、玄武巖組成、盆地和局部地區地幔的異質性進行研究，并探測氫氧基和水分子的標記。

月船－2巡視器的構型圖示意圖

中性粒子質譜儀－2示意圖

合成孔徑雷達（SAR）由印度空間研究組織空間應用中心研制，該設備運行在L頻段（1.25GHz）和S頻段（2.0～2.2 GHz），可選擇2m、5m和10m分別率以及10km刈幅掃描，可采用圓形極化模式和線性偏振模式，用于探測月球亞表面層物質及其成分，包括亞表面層的水冰。合成孔徑雷達被期望能夠提供證實月球陰影區存在水冰的證據。

中性粒子質譜儀（NIMS）由印度空間物理實驗室研制。中性粒子質譜儀也稱錢德拉大氣成分探測儀－2（ChACE－2），是月船－1軌道器攜帶中性粒子質譜儀的改進型。該設備以四極質譜學技術為基礎研制，工作范圍為1～300amu（原子質量單位），功率小于30W，質量低于4kg。主要用于研究月球稀薄大氣成分與環境，開展月球外大氣層的詳細研究。

大區域軟X射線分光計（CLASS）由印度空間研究組織的衛星中心和物理研究實驗室研制，采用硅漂移探測器（SDD），能量1～20kV，探測面積30mm2，功耗6W。主要用于探測月球表面的主要元素（包括鎂、鋁、硅、鈣、鈦、鐵等）及其分布情況，可提供來自月面極區標稱空間分辨率為25km的元素豐度月脈圖。

（2）著陸器攜帶的有效載荷

目前，印度已基本確定的著陸器有效載荷包括月震儀和激光反射器。在考慮著陸器的質量、體積和功率的限制后，再決定是否攜帶其他的科學有效載荷。

（3）巡視器攜帶的有效載荷

月船－2巡視器攜帶有2個科學有效載荷，用于對月表物質進行原位探測。

阿爾法粒子誘導X射線分光計（APXS）：由印度物理研究實驗室研制。該設備是用于天體元素分析的驗證儀器，NASA的“火星探測巡視器”（MER）和“火星科學實驗室”（MSL）曾經采用此類設備對火星開展研究。月船－2月面巡視器攜帶的阿爾法粒子誘導X射線分光計由2個電子包組成，即傳感器頭部和后部電子器件，主要用于探測月表物質的化學性質。傳感器頭部的設備包括硅漂移二極管、6個阿爾法源、X射線測量裝置和安裝在巡視器機械臂上的前段電子電路等。該設備通過阿爾法粒子激發X射線和次級輻射，之后測量從樣本中發出的特性X射線，從而分析樣品的性質。

激光誘導擊穿分光鏡（LIBS）：由光電系統實驗室建造，該設備通過發射激光脈沖探測和分析遠處的物質，如用于極地中風化層含水量的測定。

激光誘導擊穿分光鏡

月船－2任務飛行方案

3 任務飛行方案和著陸區選擇

任務飛行方案

月船－2探測器由地球靜止軌道衛星運載火箭MK-2（GSLV Mk－2）送入地球同步轉移軌道，隨后通過軌道器攜帶的發動機提升軌道，最終進入奔月軌道（LTT）。在奔月過程中，月船－2軌道器與著陸器（攜帶巡視器）分離，二者獨自向月球飛行，并分別被月球捕獲，進入月球極軌道。軌道器最初運行于5000km×200km的橢圓形極軌道，而著陸器攜帶巡視器下降到月球表面。著陸器實現月表著陸后，帶有機械臂和科學探測設備的巡視器將被釋放到月球表面。隨后，著陸器與巡視器開始工作，而軌道器將運行于200km的圓形軌道上。

著陸區選擇

目前，印度尚未公布確切的著陸區，但從科學探測角度考慮，預計著陸區將優先考慮高緯度位置。根據美國航空航天局月球勘察軌道器（LRO）和日本“月女神”軌道器提供的數據，俄羅斯為印度確定了月球南極附近的2個備選著陸區。主著陸點：87.2°（S）、68°（E），休梅克；備用著陸點：87.2°（S）、68°（E），格拉克。但不排除印度對著陸區進行重新選擇。

4 運載火箭

月船－2任務將采用印度自主研制的地球靜止軌道衛星運載火箭Mk－2運載火箭發射。該火箭為三級運載火箭，高49m，起飛質量414t，起飛推力為6573kN，有效載荷整流罩最大直徑3.4m，可將2～2.5t的衛星送入地球同步轉移軌道?；鸺患売蒘－125芯級固體助推器和4臺液體捆綁助推器組成；二級采用可貯存液體推進劑發動機；三級采用液氫/液氧發動機。

5 結語

2008年成功實施首次月球探測任務之后，印度提出了包括對火星、金星、小行星與彗星實施探測的航天發展規劃。2013年11月5日，印度“火星船”任務成功發射，目前正在飛往火星的途中，這使印度在深空探測領域又向前邁進了一步。此次提出的月船－2探測任務，以月船－1任務為基礎，主要驗證印度實現月球軟著陸的能力，為今后印度月球及其他行星探測任務奠定技術基礎。