石豪：印度登月的“小目标”
【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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