优秀组件却组装出全球垫底火箭! 印度月船三号: 还要追上嫦娥五号

印度时间7月14日14点35分，印度东海岸附近的斯里哈里科塔发射场，LVM3“巨型”火箭点火成功的将Chandrayaan-3（月船-3）月球探测器送入准备地月转移的大椭圆形轨道，预计将于一个多月后的8月23着陆于月球南极地区。

发射成功后印度国内一片欢呼，但在这个成功的背后却隐藏了巨大的危机，如果ISRO（印度空间研究组织）如果不在数天内成功转移轨道，那么月船三号还真有可能坠入大气层。

致命轨道：ISRO还有几天时间？

就在ISRO宣布发射成功后不久，美太空军18SDS就发布了刚入轨的月船三号轨道数据，进入了近地点138公里、远地点36306公里、倾角为21.3°转移轨道上。看着确实已成功入轨，但这条轨道怎么看怎么奇怪。

因为根据ISRO此前在官网上发布的标准轨道数据170 x 36500公里相比，近地点低了32千米，远地点差了194千米，这个误差可不是一般的大，远地点差点倒也没啥大关系，但近地点低了却很是要命！

在卫星轨道高度低于200千米时会遭遇大气的分子密度增加形成的阻力，此时轨道高度衰减很快，因此低于200千米的轨道不是临时轨道就是被废弃后的卫星进入的死亡轨道，比如在2022年2月3日发射的50颗星链卫星，在210千米的临时轨道（自检完成后将变轨前往350~550千米的运行轨道），但在此过程中遭遇太阳风暴，临时轨道附近大气分子密度增加，卫星遭遇阻力是正常状态的2倍以上，轨道迅速衰减，最终80%的卫星（40颗）在数天后就坠入了大气层。

这次月船-3的轨道设置为170 x 36500其实并没有什么大问题，前提是必须尽快提升轨道，比如当年阿波罗登月飞船的临时轨道近地点高度也在170千米左右，只要轨道及时提升问题并不大，但这次ISRO的火箭却将月船-3送入了一条近地点高度只有138千米的轨道，这个高度大气分子密度已经很高，轨道衰减会非常快，因此ISRO必须尽快转移轨道，否则结果只能是坠入大气层。

不过据7月15日23点16分ISRO发布的消息，首次轨道提升作业比较顺利，在位于班加罗尔的ISTRAC控制下，月船三号的轨道提升到了41762 公里 x 173 公里的轨道上，尽管还是比较低，但为后续安全提升轨道争取了时间。

月船三号是印度ISRO（印度空间研究组织）寄予厚望的第三个月球探测器，由轨道飞行器、着陆器和月球车等组成，与此前着陆失败的月船二号在结构上基本一致，但在细节上差距不小，印度的月船计划总共有三次：

• 月船一号与我国的嫦娥一号类似，是一个环月探测器，2008年10月22日从印度斯里赫里戈达岛发射，11月8日成功入轨，但在工作了一年不到的2009年8月29日发生了通信全部中断的严重故障，不过任务大部已经完成，也算是阶段性的取得了成功。
• 月船二号是一个月球着陆探测器，相当于我国的嫦娥三号，包括一个轨道器、登陆器和月球车，原计划在2019年7月发射并于8月进入月球轨道后将着陆月球，但在距离月面2.1千米时测控信号丢失，后据NASA的LRO（月球轨道勘探飞行器）拍摄到的照片，该探测器已经坠毁。
• 月船三号可以说是月船二号的替补版，但并不是备份，而是一个新的探测器，改动还挺大的，比如5台发动机改成了四台，去掉了中间发动机，并且激光速度计配备了自研版本，但基本框架没变。

这次月船三号如果成功的话，印度将成为全球第四个软着陆月球的国家，月船三号也将成为第一个着陆月球南极的探测器，因此印度民众对这次发射寄予太多的期望。到现在为止，月船的变轨还算比较顺利，但仍未脱离危险地带，未来仍将有可能遭遇变轨失败坠入大气层等致命事故。

月船3号未来的变轨之路

奇葩火箭：带着40多吨钢桶飞几十秒

差点将月船三号送入“死亡轨道”的就是印度的“巨型火箭”LVM3，有很多朋友都对这种突然冒出的火箭有点懵圈，但事实上这就是此前GSLV MARK III火箭，因为GSLV的发射记录太差，因此在印度已经没有保险公司愿意承保，ISRO不得已只能启用一个新名字，这是ISRO主席在接受印度航天爱好者访谈时大大方方透露的消息。

GSLV MARK III火箭，点火时序让大家都看不懂

GSLV MARK III火箭是印度目前载荷最高的运载火箭，目前印度的近地轨道大型通信卫星、静止轨道卫星以及载人航天与月球探测等重大任务都由这枚火箭担任，如下为基本参数：

• 高度：43.43 米
• 直径：4米；
• 起飞重量：640吨；
• LEO轨道运载能力：10吨；

这种火箭是一种典型的捆绑结构，两侧是两个高25米，直径3.2米的S200固体火箭助推器，每个将提供5150kN（525吨）推力，燃烧时间128秒，推进剂为HTPB，应该说还算是一种不错的助推器。

芯二级是一个高21.39米，直径4米的L110火箭，最大推力为1700kN（173.5吨），由2台Vikas液体火箭发动机提供，是一种使用偏二甲肼与四氧化二氮的“毒发”，比冲293秒，燃烧时间643秒，性能应该算是中规中矩

芯三级是一个高13.545米，直径4米、由氢氧作为燃料的C25发动机提供动力、推力220kN（22.4吨），比冲442秒，燃烧时间643秒，性能上不算好，但也能凑合。

这枚火箭的各个组件性能都不算特别差，但不知道各位有没有发现，这些性能尚可的组件装配在一起却搞出了全球载荷系数几乎垫底的运载火箭，比如中国与GSLV同级别但总质量更低CZ-7火箭载荷也高出一大截：

• 总质量：597吨，
• 近地轨道LEO载荷：14吨

CZ-7的总质量还只有600吨不到，比630吨重的GSLV MK III载荷还高出4吨，这实在有点说不过去，笔者就几种典型的火箭的GTO（地球同步转移轨道）的载荷系数做了个统计，GSLV基本是垫底的：

估计各位网友都很好奇，怎么起飞重量更大，各级火箭性能还不错的运载火箭，印度人怎么就搞出了这个怪异的大火箭？笔者经过仔细核实，GSLV MK III火箭存在两个问题：

1、看似“并联”的结构实为“串联”

看着挺威猛的，与我国的CZ-5火箭看起来并没有区别，但我国的CZ-5是一种一级半火箭，而GSLV MK III却仍然是一种三级火箭，原因是这样的：

我国的CZ-5火箭是助推器和芯级火箭同时点火，其产生的总推力是助推器和芯级火箭推力之和，而GSLV MK III火箭却是助推器首先点火，芯二级此时不工作，一直等到助推器烧完后才点火。

这样一来这个火箭的起飞推力就小了很多，最直接的问题就是导致它的载荷系数不足，中美火箭再不济也有1%以上的GTO载荷系数，但印度直接就掉到了0.6%，这个比例简直就少得可怜。

2、另一个原因：点火时序完全不合常理

在ISRO的官网上，关于GSLV MK III（LVM3）火箭发射过程有这样一段描述：

该火箭在两个S200助推器同时点火后起飞。核心级（L110）在飞行约113秒时点火，两个S200助推器燃烧约134秒，分离发生在137秒时。有效载荷护罩在115公里高度处分离，在L110点火约217秒时分离。L110燃尽、分离和C25点火发生在313秒时。航天器在标准时间的974秒时被注入到180x36000公里的GTO轨道中。

这个LVM3目前的时序设计还是有进步了，参考LVM3火箭的结构能发现，助推器重量为236吨，推进剂重量为205吨，“壳子”死重为21吨，两个助推器死重42吨，从分离时序可以看出，助推器熄火3秒后分离，也就是说芯级火箭要带着两个42吨重的壳子多飞行3秒，比GSLV MK III已经进步不少了，因为之前更夸张：

GSLV Mark III拖着助推器的死重飞行19秒才分离，而GSLV MK2拖“死重”飞行的时间大约为25秒，GSLV MK1更夸张，一级要带着助推器约23吨的“死重”，足足多飞40秒。

原因可能有两个，一个是印度并没有完全掌握好级间分离的技术，级间分离时爆炸螺栓启动，将助推器与箭体之间的连接炸断，但此时芯二级刚点火，燃烧还不是特别稳定，因此级间分离延迟，让火箭“缓一缓”。

另一个原因可能是结构设计问题，比如经过等燃料消耗经过共振点才分离，这也是解决箭体结构的一个好办法。不过无论哪种结构，这样的设计会造成载荷系数下降，这也是GSLV火箭全球垫底的重要原因之一。

ISRO网站数据并没有修改：问题或仍未解决

笔者为了查核LVM3有没有修正此前的问题，特意翻了ISRO的官网数据，结果发现GTO载荷4吨并没有变化，这表示这个问题解决并不是载荷低的重要原因，而更有可能的是助推器与芯二级并联却先后工作的原因。

还想追上嫦娥五号？

印度的月船三号和中国的嫦娥三号基本同级别，当然载荷以及月球车的设计两者就没法对比了，嫦娥三号载荷要比月船三号多出很多，并且玉兔月球车达到了135千克，印度的26千克月球车完全没法对比。

至于能不能追上嫦娥五号，笔者了解到的是印度甚至还没有月球采样返回的计划，这个事情比较有趣，日前印度著名航天爱好者Gareeb Scientist对ISRO主席S. Somanath进行了长达40多分钟采访，其中谈到了一个印度航天未来的问题：

印度在月船三号后的任务并不明朗，未来5年内都没有后续任务，在火星任务上也没有后续，印度航天缺乏发展规划战略的问题其实挺严重，优秀的规划战略是支撑航天活动可持续发展的支柱。没有规划战略的航天活动容易成为一时兴起行为，会随着大环境的变化与公众热情的冷却而迅速陷入停滞，反过来阻碍航天事业的发展。

尽管月船三号出师虽然不太顺，但总归还是出发了，我们也看到了印度在航天上的努力，在印度最拿得出手的几个领域中航天显然是最耀眼的存在，对于这位邻居的科学与探索我们予以祝福。但在调侃的同时，我们必须要对印度保持警惕。