觀點投書:印度與俄羅斯探測器登月之旅

2023-08-22 06:10

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本文開頭提到印度「月船3號」之所以花費40天才登月的根本原因就是印度自製最大的運載火箭LVM3仍不夠力以及探測器火箭推力較弱,無法把重達3.9公噸的探測器一次就送上月球轉移軌道(TLO),必須以時間換取空間,先到高度較低的地球橢圓軌道,再靠著探測器自身的有限推力,逐次點火執行軌道抬升動作拉成長橢圓,直到變成月球轉移軌道。這繞著地球轉的升軌過程就花費21天才終於脫離地球奔向月球。

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LVM3是印度自製的最大型運載火箭,外表龐然大物總重達640噸,但實際不是很夠力。要送去月球轉移軌道,LVM3火箭的最大負載極限是4公噸,這就是為什麼印度探測器總重量限制是3.9公噸,已逼近極限。火箭不夠力的根本原因是,印度的液態火箭引擎技術較落後燃燒壓力不夠高造成推力較弱,無法獨立扛起點火升空的重任,只好靠著外掛兩枚相當粗壯大支的固態燃料火箭來做為起飛加速的主要推力,液態火箭變為輔助。幸好印度在製造大推力固態燃料火箭的技術有相當經驗,可以彌補一下,儘管總體效率較差,至少讓印度具備探索太空的入門基本能力。

而俄羅斯的「月球25號」探測器比印度的輕了約兩噸,只有1.8噸但攜帶有一噸的燃料,且運載火箭聯合號相當有力量,起飛總重量還不到印度LVM3火箭的一半,但一次就能把「月球25號」探測器送上月球轉移軌道(TLO)直奔月球,乾淨俐落完全不需花時間升軌,因此僅需11天就能執行登陸。核心還是俄羅斯的技術了得,各型式的液態燃料火箭引擎幾十年來一向就非常傑出有力且可靠,包括很早就能熟練駕馭技術最困難但最有效率的「全流量分級燃燒循環」火箭引擎。

美國直到2017-18年左右,SpaceX公司才終於開發出效能媲美昔日蘇聯頂級效能的火箭引擎。不過SpaceX並不走美國太空總署過去超大尺寸引擎的老路,反而是仿蘇聯專注在中型尺寸引擎然後整合併聯形成大推力。SpaceX靠著卓越的研發能力與勇於突破的文化,其火箭引擎效能驚人,技術指標已經開始超越蘇聯的頂級火箭引擎,成本也非常有競爭力,進一步強化其在火箭回收重複使用技術的世界絕對領先地位,也顯然促成中國大陸重新省思其新世代運載火箭的設計理念與發展路徑。

印度月船3號整合構型,包含登陸器漫遊器與推進器。(取自維基百科)
印度月船3號整合構型,包含登陸器漫遊器與推進器。(取自維基百科)

印度「月船3號」捲土重來,取消了軌道器並大幅簡化科學儀器酬載,騰出的空間與重量用來攜帶超量燃料以應付各種狀況,顯然印度不顧一切把成功軟著陸列為最高優先目標,有顯著的政治利益,因此寧可犧牲一些科學研究酬載。然而,印度在7月14日剛發射就出現失誤,探測器3.9噸重已接近LVM3運載火箭運力的極限,可能火箭推力稍有不足或者燃料提前耗光,或者高空各節熄火點火的分離控制技術不精湛,因此入軌終端速度稍偏低,以致進入的地球軌道高度不足,處於失敗的邊緣。印度太空研究署為了搶救「月船3號」只好消耗大量探測器本身的燃料,執行額外三次的加速與升軌操作,經過這折騰才終於挽救成功達到預定軌道高度,計畫差點失敗。幸好印度有「先見之明」讓探測器這次額外增加百分之二十的燃料,可以經得起這種額外升軌的額外燃料消耗。

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