印度月船－2探測器落月失利

張揚眉（北京空間科技信息研究所）

印度標準時間2019年9月7日01:38（北京時間2019年9月7日04:08），印度月船－2（Chandrayaan－2）探測器攜帶的“維克拉姆”（Vikram）著陸器開始進入動力下降階段，嘗試進行月球表面軟著陸，但在距離月面約2.1km處失去聯系。目前，印度稱已經利用軌道器完成了對著陸器的定位和熱成像，還在嘗試與其建立通信連接。但由于失聯時高度和速度較高，著陸器撞擊月球表面的速度至少為每秒數十米，恐已完全墜毀，印度的首次落月嘗試以失利告終。

1 月船－2著陸事故相關情況

著陸事故詳情

印度標準時間2019年9月7日01:38，“維克拉姆”著陸器進入最終的15min動力下降階段，但約13min后在距離月球表面2.1km處，“維克拉姆”與地面失去聯系。

來自印度空間研究組織（ISRO）的現場直播顯示，著陸器按計劃從36km×110km軌道下降至距離月表6km以下高度處，已經進入精確制動階段。之后，說明著陸器下降軌跡的畫面在抵達月面前停止。幾分鐘的沉默之后，ISRO主席斯萬（Sivan）宣布與著陸器的通信丟失。斯萬稱著陸器下降過程按照計劃進行，直到2.1km高度處性能都保持正常，但之后著陸器與地面失去了聯系，目前正在分析數據。

ISRO在月船－2著陸后發布消息，稱月船－2是一項高度復雜的任務，目前軌道器正在既定軌道上運行并將開展長達7年的探測活動，其攜帶的相機是目前探月任務中分辨率最高的（0.3m）；“維克拉姆”著陸器順利完成從35～2km的下降，失聯前系統工作正常，證明了包括變推力發動機技術在內的大量新技術。成功標準是針對任務的每個階段確定的，直到目前月船－2任務已經完成了90%～95%的目標，并將繼續為月球科學做出貢獻。

ISRO正在對相關通信數據和傳感器數據進行分析，以找出著陸器通信突然中斷的原因，后續詳情有待公布。9月8日，斯萬再度發表聲明，稱ISRO已經確定失聯的著陸器位置，并獲取了著陸器的熱成像圖，但現階段仍無法掌握其實際運行狀態，且依然無法與著陸器建立通信連接。

即將發射的地球同步軌道衛星運載火箭—Mk3

任務飛行歷程

印度標準時間2019年7月22日14:43，月船－2探測器在薩迪什·達萬航天中心（SDSC）搭乘地球同步軌道衛星運載火箭－Mk3（GSLV－Mk3）成功發射，與火箭分離后進入約170km×40000km的停泊軌道。隨后，通過多次機動，于8月14日進入月球轉移軌道。

8月20日，月船－2實施月球軌道插入進動，進入月球大橢圓軌道。之后，月船－2通過4次軌道機動，于9月1日進入119km×127km的月球軌道。

9月2日，“維克拉姆”著陸器與軌道器分離，并分別于9月3日和4日實施兩次軌道機動，進入36km×110km的軌道，軌道器則繼續停留在約100km高的軌道上運行。9月7日，著陸器開始登月嘗試。

計劃著陸過程

按計劃，“維克拉姆”著陸器將于9月7日利用反推發動機實施持續15min的動力下降，按照預先編程的下降序列，其標稱著陸過程：著陸器攜帶的4個可變推力液體燃料發動機點火11min，將著陸器降低至距月面7.4km的高度，完成“粗略制動階段”并進入“精確制動階段”；之后啟用激光高度計和危險規避相機對月面進行掃描，為著陸器的導航計算機提供輸入，以控制下降速率；在抵達距月面100m高時，著陸器將進行短暫懸停，在其敏感器確認著陸地點安全、平整且沒有障礙物之后，進入最終著陸階段；在距月面13m高時，著陸器的中心發動機將點火，以控制著陸的最后幾秒，這項措施旨在減少著陸器在著陸時濺起的月球塵埃。

著陸地點位于月球71°（S）的曼濟納斯C（Manzinus C）與辛普路斯N（Simpelius N）環形山之間的高原上，該地點距離南極艾特肯盆地（Aitken basin）約350km。著陸器有兩個可選著陸點，即首選著陸地點（SLS54，70.90267S，22.78110E）和備選著陸地點（ALS01，67.874064S，18.46947W），著陸橢圓為15km×8km。著陸后，月球車駛出，在月球表面進行1個月晝的探測。

月船－2飛行軌跡圖

2 任務背景

早在2007年11月，印度ISRO與原俄羅斯聯邦航天局（ROSCOSMOS，現俄羅斯航天國家集團）就簽署了月船－2項目的合作協議。根據該協議，印度將負責研制月船－2軌道器和月球車，俄羅斯則負責提供著陸器。

自印度首個月球探測器—月船－1于2008年10月發射以來，印度繼續致力于新的月球探測任務的研發，原計劃于2014年發射月船－2，但因2011年俄羅斯“福布斯-土壤”（Phobos-Grunt）任務發射失利，俄羅斯從2012年開始對在研的所有空間探測項目進行重新審查與改進，因此月船－2的發射時間被延遲至2016－2017年。此外，俄羅斯還表示在2015年前都無法向印度交付著陸器。為此，2013年8月，印度宣布獨立實施月船－2任務，自行研制軌道器、著陸器和月球車。

鑒于印度第二次探月任務的推遲已不可避免，印度當時將研發隊伍、時間與資源投入到火星探測器的研制上，并于2013年11月成功發射了“曼加里安”（Mangalyaan）火星軌道器，目前其仍在軌運行。

之后，在月船－2的研制過程中，印度又數次推遲了發射時間。2019年6月12日，印度正式宣布將于7月15日前發射月船－2，并預計于9月6日著陸月球表面。

3 任務目標

印度于2008年發射的月船－1任務，通過美國國家航空航天局（NASA）提供的月球礦物學繪制儀（M3）和ISRO研制的月球撞擊探測器（MIP），在月球南極表面的永久陰影區域發現了水。

月船－2任務的探測目標

月船－2任務將進一步確認月船－1的上述科學發現，在月球南極附近區域軟著陸并進行巡視探測，探測月球地形、礦物分布、元素豐度、月球外大氣層、水冰等。軌道器將繪制月球表面地圖，研究月球南極水冰的情況以及月壤厚度等。月船－2的主要任務目標如下：

1）實現印度月球探測器在月面特定地點的軟著陸，實現月面巡視探測，在月面分析月壤樣品化學成分，研究月球的起源和演化；

2）通過軌道器上攜帶的比月船－1更為先進的科學載荷，增強月球科學數據獲取能力，以及對月船－1的觀測數據進行核實和驗證；

3）通過月船－2任務的實施驗證多項新技術，包括未來月球采樣返回任務所需的技術和用于未來行星探測任務的技術。

月船－2探測器巡航構型圖

4 系統組成

月船－2由軌道器、“維克拉姆”著陸器和“普拉里安”（Pragyan）月球車組成，發射質量為3850kg，總干質量1308kg，尺寸3.1m×3.1m×5.8m。其中，軌道器發射質量2379kg，著陸器發射質量1471kg（包括27kg的月球車）。整個月船－2探測器由印度自主研發。截至2019年6月底，印度宣稱月船－2項目成本為1.41億美元（97.8億盧比），其中包括0.54億美元（37.5億盧比）的發射費用。

軌道器

月船－2軌道器的基本結構與月船－1相似，干質量682kg，燃料質量1697kg，尺寸3.2m×5.8m×2.1m。三軸穩定，主推進采用雙組元推進系統。電源采用單太陽電池翼，電源功率為1000W。通信采用X/S頻段，裝備X頻段拋物面天線。軌道器可與印度深空網和著陸器進行通信。軌道器將在高100km的月球極軌道上運行，設計壽命為1年（目前ISRO宣布將軌道器工作時間延長到7年）。

月船－2軌道器

月船－2月球車“普拉里安”

月船－2著陸器“維克拉姆”

月船－2月球車結構圖

著陸器

月船－2著陸器被命名為“維克拉姆”，以紀念1971年去世的、被贊譽為“印度航天計劃之父”的科學家維克拉姆·薩拉巴伊（Vikram Sarabhai）。著陸器為梯形六面體結構，干質量626kg，燃料質量845kg，尺寸2.54m×2m×1.2m，帶有4個著陸支架腿，設計壽命為1個月晝（14個地球日）。著陸器配備5個800N主發動機和8個用于姿態控制的50N推力器。太陽電池陣功率為650W。著陸器可與印度深空網、軌道器和月球車進行通信。

月球車

月船－2攜帶的月球車被命名為“普拉里安”，在梵語中意為“智慧”。發射質量27kg，尺寸0.9m×0.75m×0.85m，電源功率50W。六輪移動底盤結構，其中4個輪子具有獨立轉向能力。月球車采用太陽電池陣供電，裝備了移動行走系統、導航相機和控制系統。月球車的行駛速度約1cm/s，將在月面工作1個月晝（14個地球日），計劃行駛約500m。月球車可直接與著陸器進行通信。

月船－2研究團隊為月球車開發了3個關鍵子系統，一是基于3D成像的立體相機系統，用于為地面操控人員提供控制月球車移動所需的周圍地表3D圖像；二是“動態牽引力控制系統”，通過控制月球車4個輪子的獨立轉向裝置，確保月球車能夠穿越粗糙的月球表面；三是月球車控制及電機系統，6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。

有效載荷

月船－2一共攜帶了13種有效載荷，將對月球南極附近區域的地形、礦物分布、月壤組成、月震活動、月球大氣、月球電離層等進行全方位的探測。此外，還將進一步尋找水冰。

軌道器攜帶了8種有效載荷：地形測繪相機－2、月船－2大面積軟X射線光譜儀、太陽X射線監測儀、紅外成像光譜儀、雙頻段合成孔徑雷達、軌道器高分辨率相機、月船－2大氣成分探測器－2、雙頻無線電實驗，其中兩種是在月船－1上飛行過的儀器的改進版。軌道器攜帶的高分辨率相機將在軌道器與著陸器分離前對預定的著陸區域進行高分辨率成像。

著陸器攜帶了3種有效載荷：月球邊界超靈敏電離層和大氣無線電分析、月船－2表面熱物理學實驗、月震活動監測儀。此外，著陸器還攜帶了由美國NASA提供的激光后向反射器陣列（LRA），用于地月系統動力學和月球內部的被動實驗研究。

月球車攜帶了2種有效載荷：α粒子X射線分光計、激光誘導分解分光鏡。

5 月船－2著陸失利原因淺析

月船－2任務在著陸過程中失聯，很有可能已經墜毀于月球表面。一些文章分析稱，著陸器在著陸過程中失聯的可能原因是安裝在著陸器一側的4個小型轉向發動機突然失靈并全部停止工作，導致著陸器無法保持正常姿態。著陸器如果失聯后無法保持預定姿態，將導致著陸器高速撞擊月球表面，大概率將會墜毀，但ISRO尚未明確給出任務失利或探測器墜毀的公告，僅稱著陸器失聯，以弱化事故。ISRO正在開展失聯原因的調查，并且嘗試與其重新建立聯系。

在官方公布事故原因前，無法獲知具體事故的原因，但可以從當前獲取的一些信息中探析這次著陸事故的可能影響因素，包括著陸任務難度大、任務可靠性低，以及推進系統能力不足等。

月球軟著陸難度大、成功率低

盡管月球軟著陸不及火星軟著陸的難度大，但在短短10余分鐘內從數十千米高度安全降落到月球預選著陸區，在通信延遲的情況下對于自主控制方面有很高的要求，是當前深空探測任務中難度極大的一步。月球軟著陸過程中，每一個技術環節都不能出現分毫偏差，要實時測量探測器運動的速度、高度，并隨時進行調整。月面的地形地貌也非常復雜，探測器必須自主尋找安全的著陸點等。斯萬稱月船－2是“ISRO有史以來實施的最為復雜的航天任務”，并將其最終的動力下降階段稱為“恐怖15分鐘”。

蘇聯和美國在首次成功著陸月球前也經歷了多次失敗。在國外實施的月球軟著陸、巡視和采樣返回任務中，蘇聯共實施了29次月球軟著陸任務，完全成功僅7次，成功率僅為24.1%，大部分任務在發射和飛行過程中即遭失敗，5次任務在著陸過程中由于反推發動機過早關機、通信系統故障等原因而遭遇失敗。美國共實施7次月球軟著陸任務，完全成功5次，其勘測者－2（Surveyor－2）在中途修正過程中，游標發動機點火失敗導致推力不均勻，造成探測器顛簸，最終與地球失去聯系并墜毀于月球；而勘測者－4在著陸前3分鐘遙測信號突然中斷，最終撞擊月球墜毀。

任務均忽視科學探測而強調政治目的，獲得成果較少

印度深空探測任務以追求政治目的為主，過度強調工程目標的達成，而忽略科學目標。例如，“曼加里安”以實現印度首次火星環繞探測的工程目標為主，不重視科學目標，只攜帶了象征意義的15kg有效載荷，節省了在有效載荷研發上的高昂成本，也降低了整個探測器的質量和性能要求，加快了研制進度，大幅降低了任務成本，然而對火星科學探測的貢獻相當有限。從效費比的角度看，該任務雖然成功，但也并不“便宜”。印度已經實施的月船－1和“曼加里安”，除實現了印度首次月球和火星探測之外，并未獲得引人關注的科學探測成果。月船－2同樣強調一次實現“繞、落、巡”的工程目標，且一直被印度總理莫迪作為推動經濟改革、謀求連任的有力籌碼之一，政治意圖明顯。月船－2的著陸器和月球車僅能在月面工作1個月晝，其科學探測能力有限。

為實現低成本而舍棄對高可靠性的追求，任務風險較大

傳統的政府航天任務可接受的風險極低，對可靠性的要求很高，往往探測器具備冗余系統并經過多輪地面測試，以保證高可靠性，進而增加了任務成本。

而印度以最低的成本完成深空探測任務，不惜以犧牲冗余度和可靠性為代價。印度開展的3次深空探測任務成本均遠低于世界平均水平，其中月船－1總成本1億美元，月船－2總成本1.41億美元，“曼加里安”總成本7400萬美元。對比技術能力更強的美國，2000年以后開展的數次月球環繞探測任務，總成本均在2億～5億美元，與“曼加里安”同期開展的“火星大氣與揮發物演變”（MAVEN）火星軌道器任務成本為6.71億美元。但深究其節省成本的原因可以發現，印度實施低成本深空探測任務是以犧牲科學探測目標和任務可靠性等為代價的。例如，“曼加里安”任務在研發過程中簡化了試驗流程，節省了研制費用，加快了研制進度，但大幅度增加了任務的風險；月船－1探測器雖然成功實現繞月探測，但探測器可靠性較低，原計劃執行為期2年的任務，實際僅在軌運行約300天，就因故障與地面失去聯系。此外，2019年4月在月面墜毀的以色列“創世紀”（Beresheet）月球著陸器，也是為降低項目成本（總成本約1億美元）采取了低投入模式，犧牲了探測器性能、有效載荷能力，以及系統可靠性等對深空探測任務意義重大的關鍵要素，探測器僅能在月面生存約2天，同時幾乎所有的星上設備都沒有備份，一旦出現故障將導致整個任務失利。最終，“創世紀”在著陸過程中因主發動機故障在月球表面墜毀。

忽略深空探測任務的技術牽引作用，技術基礎薄弱

深空探測任務的重大效益之一是可以引領國內前沿高新技術的跨越式發展，鼓勵科技創新，推動航天運載、通信、遙測、材料、能源、高端裝備制造等技術的快速發展，并以高新技術推動經濟發展方式的轉變，創造可觀的經濟和社會效益。美國始終在科學探測方面保持高投入，不僅因為其高度重視科學探測意義和政治影響，更是因為看重前沿任務帶來的技術牽引作用。至今，美國仍在享受“阿波羅”（Apollo）計劃帶來的效益，而不惜花費近百億美元的資金建造“詹姆斯-韋伯空間望遠鏡”（JWST），也是其重視相關光學觀測技術發展的體現。而印度在實施深空探測任務的過程中，為壓縮成本，不注重引領技術發展，月船－2軌道器是在原有通信衛星平臺基礎上改進而來，深空通信則借助于美歐深空通信網的能力，并且月船－2任務也沒有發展出大推力可變推力發動機。由于缺少大推力可變推力發動機，月船－2著陸器攜帶了5個800N的可變推力發動機，也在一定程度上降低了任務的可靠性。印度前兩次深空探測任務的實施也并未帶來相關前沿技術的快速發展和基礎設施的建立。

此外，關于具體失敗原因，有推測是反推發動機推力控制失靈，也有推測是姿控發動機失控，引發了姿態翻轉，造成了著陸器失聯，真實原因只能等待官方的調查結果。但此次月船－2著陸器失聯，不論是反推發動機還是姿控發動機失控造成姿態翻滾，亦或是其他原因，都可以歸結為其技術能力不足且在任務可靠性方面重視不夠，過分追求任務低成本而引發的，值得我們引以為戒。