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印度登月失败技术评析 zt
送交者:  2019年09月09日11:25:07 于 [世界军事论坛] 发送悄悄话

石豪:印度登月的“小目标”

  • 石豪

    石豪科研工作者、航空航天观察者



2019-09-09 08:08:15
来源:观察者网

最后更新: 2019-09-09 09:53:16

               

【文/ 观察者网专栏作者 石豪】

北京时间9月7日凌晨4:45,备受关注的印度“月船2号”探月迎来大结局,着陆器在距离月面仅2.1千米时与地面失去联络,印度的首次月球软着陆任务以失败告终。

不再发射的信号

这次探月的“月船2号”探测器,是今年7月22日由印度自己的GSLV Mk3火箭发射升空的,通过多次变轨,于8月20日进入月球轨道。

“月船2号”轨道示意图(图/ISRO)

“月船2号”探测器由轨道器和“Vikram”号着陆器组成,总重3850千克,其中Vikram着陆器只有不到1500千克,地球变轨和进入月球轨道所需的大量燃料由轨道器提供。

“月船2号”组合体(图/ISRO)

在与轨道器分离后,Vikram着陆器利用自带燃料完成落月,如果一切顺利的话,还会在软着陆后释放出名为“Pragyan”的小型月球车。

Vikram着陆器(左)与Pragyan月球车(右)(图/ISRO)

从发射到落月,一切进行的都很顺利,看起来印度即将成为第四个实现月球软着陆的国家。

但偏偏在最后时刻出了岔子。

早期版本的Vikram着陆器着陆过程(图/ISRO)

根据后期版本的设计,着陆器将从30千米高度开始“急刹车”,到7.4千米高度转为精细制动,在2千米高度调正姿态、选取着陆点,在100米高度悬停、避障、最后降落。

在精细制动过程中,着陆器的姿态应该是与竖直方向成50°夹角的,但是遥测信号显示,着陆器在距离地面不到3千米时是“拿大顶”的。

着陆器“拿大顶”(图/ISRO直播信号)

从空间轨迹上看,探测器从3千米高度开始,表示实际位置的绿线就和表示设计值的红线有明显分离,最终探测器在高度还没到0的时候就失联了。

着陆器下降轨迹(图/ISRO直播信号)

在最关键的时刻姿态失控,着陆器根本来不及修正,来不及补救。因此可以判定,Vikram着陆器坠毁在月球表面,没有完成软着陆。

不断变动的方案

“月船2号”的研制过程可谓一波三折。

早在2007年,“月船1号”月球探测器尚未发射之时,印度就与俄罗斯方面签署了协议,共同开发“月船2号”,印度提供轨道器和月球车,俄罗斯负责着陆器。

好景不长,尽管两国科学家完成了方案设计,但由于俄罗斯方面的原因,着陆器迟迟无法交付,印度因此决定独立研制着陆器,“月船2号”进度也一拖再拖。

不过很显然,在独立自主这件事上,只有雄心壮志是不够的。

月球着陆器的一大核心硬件就是“变推力发动机”,因为在减速下降的过程中,推进剂大量消耗,着陆器的质量时刻处在变化中,如果发动机推力恒定的话,着陆器在最后时刻非但不能悬停着陆,反而会因为推力大于重力而升高。

因此着陆器的主发动机一定要能够“节流”,在一个很大的范围内调整推力。美国、苏联和中国在登月过程中都研发了具有节流能力的变推力发动机,其中以阿波罗计划的登月舱下降级发动机(LMDE)最为典型。几十年后,这种节流技术被SpaceX继承,用于火箭回收。

阿波罗登月舱的下降级(图/NASA)

但印度实在是没有这项技术,因此只能另辟蹊径。

一方面,印度空间研究组织(ISRO)将手中用于地球卫星的440N远地点发动机升级到800N推力,另一方面也为这种新发动机赋予了一定变推力能力。

不过显然,800N发动机的变推力能力是有限的,远不能支持总重超过1000千克的Vikram着陆器。

因此印度科学家只好给着陆器安装了4台800N发动机,在初步减速时全开,悬停避障时只开两台。

悬停避障阶段的着陆器(图/ISRO)

这个方案听起来挺巧妙,但到了2018年6月,科学家们决定改动Vikram着陆器的着陆程序,从与轨道器分离后直接降落改为先环绕月球几圈。这样必须增加第五台800N发动机,在距离月球10米左右单独点火,才能保证安全。

早期的着陆器底部设计,可见只有四台800N发动机(图/ISRO)

等等……之前研究了几年的的方案是分离以后一头扎下去吗?

是的,所以在发射前一年大家觉得这样不好,得改。

反正改的又不止发动机一个。

加了第五台发动机,原来的燃料不够了怎么办?改——多加两个燃料箱。

之前的着陆器支撑腿感觉有点窄,着陆时万一降到斜坡上翻了怎么办?改——从3.6米直径改成4.34米直径。

着陆器变重了,轨道器变轨能力跟不上了怎么办?改——给轨道器也多带燃料。

轨道器重了,着陆器也重了,原定的GSLV Mk2火箭本来就弱,现在更不行了怎么办?改——直接上新研制的GSLV Mk3。

以至于2018年1月,ISRO在美国会议上发布的方案,半年过后就面目全非。

“月船2号”新旧任务设计对比

“月船2号”探测器总体方案对比

不算太大的目标

印度在航天领域的雄心壮志,相信各位读者或多或少都有所耳闻。

尽管嘴上不说,但印度的月球探测计划确实是把中国的嫦娥工程作为“假想敌”和追赶对象的。

嫦娥一号于2007年成功发射,对月球进行环绕探测;一年之后,印度的“月船1号”探测器就发射入轨。

说起来,“月船一号”还在轨释放了一个贴有印度国旗的月球撞击器,随着撞击器的成功撞月,印度也成为了世界第四个在月球上留下痕迹的国家,前三个分别是苏联、美国和日本。

“月船1号”搭载的月球撞击器(图/ISRO)

尽管设计寿命两年的“月船1号”只工作了一年不到就失效了,但印度不考虑备份,第二次探月就要尝试软着陆——按照原计划,“月船2号”应当紧随中国的嫦娥三号完成登月。

印度的着陆器和中国的嫦娥三号相比有什么不同呢?

首先,嫦娥三号不需要轨道器,运载火箭直接把嫦娥三号的远地点打到40万千米以上,嫦娥三号只需要中途修正轨道,然后进行近月制动就可以。而受限于火箭技术,“月船2号”只能进入一个远地点4万多千米的超同步转移轨道,需要通过轨道器实施多次变轨。

嫦娥三号与“月船2号”轨道对比

其次,中国为嫦娥三号研发了7500N变推力发动机,推力上看几乎是印度发动机的10倍,单台发动机就能完成从近月制动到下降、悬停、降落全程。“月船2号”需要在不同时间节点反复调整工作发动机的数量。

“一台顶十台”的嫦娥三号发动机(图/中国空间技术研究院)

第三,嫦娥三号有完备的热控系统,足以应对月昼月夜的数百度温差,直到今天依然在持续正常工作。而“月船二号”并没有对此进行特殊设计,其寿命只有14天——也就是一个月昼。

嫦娥三号的两相流体回路热控装置(图/中国空间技术研究院)

第四,从细节上也能明显体会到嫦娥三号设计的精妙细致,比如,“月船二号”的主承力结构还是一般卫星采用的圆柱承力筒,整体重心偏高,所以只能在发射前一年临时更改设计,加大了着陆腿展开的直径以确保稳定性。而嫦娥三号的主承力结构是全新设计的,推进剂贮箱并联,大大降低了重心高度。

嫦娥三号结构布局(图/中国空间技术研究院)

当然,“月船2号”也不缺乏精彩的细节,比如印度科学家对Pragyan月球车的轮子就进行了特殊设计,每转一圈,就能在月壤上留下印度国徽和ISRO标志的印记。

印度月球车的独特设计(图/ISRO)

先于中国把国旗扔上月球,用月球车把自己的图腾印到月球表面,这可能就是印度航天雄心背后的“小确幸”?

这样的“小确幸”,是印度人民与生俱来的乐观态度的具体体现。

在“月船2号”着陆失败后,一位不愿透露姓名的ISRO官员告诉《印度时报》,“月船2号”任务只有5%失败了,因为其余95%的载荷都在轨道器上。

没有能打更高轨道的火箭?没关系,带轨道器就好

没有够用的变推力发动机?没关系,多放几台就好。

没有余量做完整热控设计?没关系,只活14天就好。

当你的目标足够小的时候,总是能实现的。

你说纸能包住鸡吗?

也可以吧,特别是小小的一块。


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    看来大概在四公里高度时其中一台发动机故障 - eastwest 09/09/19 (218)
      为什么在最关键时刻发动机出故障?我觉得是技术问题  /无内容 - 益佰 09/10/19 (17)
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