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李会超:同是探月任务,为何印度探测器偏要多飞几十天?
关键字: 印度探月工程 月船2号 多飞十几天那么在这23天里,“月船2号”在忙什么呢?答案是在地球附近转圈圈。
从火箭发射时最初进入的轨道到地月转移轨道,既可以一次完成,又可以分成几次完成。例如,在我国的嫦娥工程实施过程中,嫦娥一号发射时首先由火箭送入了200km x 51000km的椭圆轨道,周期为15.81小时,之后再分别实施机动,通过周期为16小时、24小时、48小时的三条轨道过渡,最终进入地月转移轨道。从嫦娥二号任务开始,我国掌握了直接地月转移轨道发射和飞行技术,嫦娥探测器与火箭分离后滑行道合适位置,一次开机就可以直接踏上奔月之旅,无需再经三条轨道慢慢调整,将从地球到月球的时间从12天缩短到5天。这个提升背后,是我国航天技术人员通过工程实践,掌握了直接奔月轨道设计和”分秒不差”的零窗口发射等关键技术,火箭运载能力和入轨精度达到了直接奔月的水平。
(印度学者在AIAA于2018年1月举办的一次学术会议上发表的学术论文(doi:10.2514/6.2018-2178)中给出的月船2号轨道示意图。发表论文的学者似乎还觉得月船2号在地球附近兜的圈子不够多,又在图中给月船2号多画了几条轨道)
而印度的月月船2号发射入轨后,则要经历多达6次的轨道调整,经过5条轨道的过渡后才能进入地月转移轨道。由于远地点的抬升需要在近地点进行,且一般要通过遥测确定实际进入的轨道和理论值间的偏差,因此卫星在完成一次变轨后,往往要在轨道上运行一圈或多圈才能进行下一次变轨。随着轨道高度的逐渐提升,每运行一圈花费的时间也在增加,造成了月船二号在地球附近的长时间徘徊。而经历如此多次的变轨,在地球附近磨蹭23天,在全世界的探月任务中都是不常见的,也许是又一个“印度创造”了。
(印度太空研究机构给出的月船2号轨道数据和变轨操作时间表)
为何不能一气呵成?
那么印度为什么要在地球附近折腾这么多天呢?笔者认为,可能的原因有两个:
第一是印度的轨道设计水平、飞行器测控定轨精度水平和飞行器变轨精度水平较低。经常开车的朋友知道,如果司机驾驶技术较为娴熟,在倒车入库、侧方停车时往往可以观察好当时的环境,准确的选择好停车、打轮的时机,控制好车速,准确的一把完成。而如果驾驶技术捉急,则往往要不断的修正上一次动作的偏差,反复前进后退后才能搞定。10年前,“月船1号”就采用了类似的6次变轨才进入地月转移轨道。而和中国的嫦娥探月每次都有技术提升所不同的是,印度人在这10年里似乎在轨道技术上毫无进展。
第二是印度的火箭运载能力可能存在瓶颈。发射月船2号的GSLV MkIII火箭看外观起来气宇轩昂,像是一个翻版的阿丽亚娜5型火箭,但实际运载能力却十分有限。从衡量高轨发射能力的GTO轨道运载能力看,GSLV MKIII仅为4吨,低于我国上一代高轨运载火箭长征3号乙的5.5吨,和阿丽亚娜5 ECA、长征5号等重型运载火箭更不是一个级别。更令人感到不可思议的是,虽然GSLV MKIII有用的运载能力不高,但其本身的重量却高达六百多吨,已经接近了阿丽亚娜5 ECA的水平,给人一种大客车的身段、中巴车的载客能力的感觉。有限的运载能力,只将月船2号送到了170 x 45475 km高度的轨道上。而将一次变轨分成多次执行,可能有助于降低变轨中的“重力损失”效应影响,在一定程度上节省燃料,保证探测器有足够的燃料完成后面的任务。
(印度GSLV MKIII型火箭,号称印度最强,实际运载能力不及长征三号乙)
GSLV MKIII火箭在动力配置上也堪称奇特,火箭起飞时中间的芯级并不输出动力,只靠两侧的两个固体助推器来完成相当于其他火箭第一级的工作。然而,固体火箭具有比冲不足的先天劣势,其他国家在使用时一般只作为助推器,用来帮助使用液体燃料的第一级增加推力,而不会越俎代庖直接去承担第一级的工作。此外,这种火箭中间的燃料箱看起来体积较大,外观上让人感觉似乎是使用液氧/液氢无毒高比冲燃料的“绿箭”,但实际上却是使用有毒的偏二甲肼/四氧化二氮的“毒箭”。而其他国家在使用这种燃料时一般不会把火箭的外形做的如此夸张。
结语
对于需要在月球表面着陆的探测器来说,风险最大的阶段就是在月球表面附近实施软着陆的阶段。不久前以色列发射的探测器,在着陆月球过程中于距离月球表面149米处失控坠毁。而我国的嫦娥三号和嫦娥四号均能顺利着陆月球,靠的是中国航天一步一个脚印的技术积累与攻关。为了落月成功,我们建立了遍布全球的深空测控网,地球东西半球的数个65米大型测控天线精密的监控着嫦娥的位置与状态、发出下一步行动的指令。至于印度的朋友们,似乎更热衷对标中国搞大新闻,而对自己的能力水平鲜有清楚的认识。月船2号能否如他们所愿,让印度称为第四个能够在月球上成功实现航天器软着陆的国家,让我们拭目以待一个半月后的答案。
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- 责任编辑:陈辰
- 最后更新: 2019-07-27 08:47:52
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