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低成本探月接连失败,实施太空任务必须“不差钱”?

2019-11-08 14:11:34

资料来源:《科学技术日报》

低成本月球探索一个接一个失败了。执行太空任务必须“不缺钱”吗?

这位记者傅逸飞

最近,印度月球车2号探测器在降落到月球南极的最后阶段爆发,与地面失去联系,“面临着不确定的命运”。同样,今年4月,以色列登月舱创世纪号在离月球表面10公里的地方发生了故障,坠落到了月球表面。

这两项任务的费用不高。创世纪号是目前最小也是最便宜的登上月球的登陆器,任务成本只有1亿美元。月船2号项目成本略高于1.5亿美元。这种成本与美国宇航局类似项目的成本相差甚远。

低成本空间任务是否注定会面临更大的风险?国家空间探索技术首席科学传播专家庞志浩对《每日科学》记者表示,节约成本并非不可能,但应该更多地从技术创新的角度来实现,而不是盲目追求低价。

过分强调成本或增加风险,很难取得有价值的结果。

据悉,印度的劳动力成本非常低,其高级太空工程师的月薪仅为欧美工程师的零头,这可以为他们的太空项目节省大量成本。

但是如果你想节省更多,你必须依靠技术。如果有成熟的火箭、航天器或完善的地面基础设施,研发周期可以缩短,一些技术研发和基础设施建设成本可以节省。

印度以前发射过月球探测器和火星探测器,并且有一定的技术基础,但是技术水平不是很高。

2008年10月,印度发射了该国第一枚月球探测器——月球车1号。这种探测器的成本约为8300万美元,可以说非常便宜。同时,它确实有一些技巧。与中国第一艘月球探测器嫦娥一号绕月200公里的轨道相比,月球船一号直接进入距月球100公里的轨道。它携带的照相机也有很好的性能。获得了高分辨率的月球地质图、月球矿物图和月球地形图。为了“事半功倍”,月船1号载有6个外来载荷,占总载荷(11)的一半以上,以弥补自身的技术缺陷。

然而,卫星平台的缺点使其无法完成其两年工作计划。2009年7月,粤川1号星敏感器发生严重故障,一度影响定向导航。8月29日,地面突然与月球船1号失去联系,许多尝试都失败了。据判断,探头的天线已经停止工作。尽管美国宇航局在2017年发现月球1号仍在绕月球运行,但它无法返回数据。

2013年11月,印度发射了火星探测器曼加里安。十个月后,探测器成功进入火星轨道,使印度成为亚洲第一个成功进行火星探索的国家或组织,也是世界上第四个成功进行火星探索的国家或组织。

火星探索任务的预算只有7300万美元,比许多好莱坞电影要便宜得多(例如,《地心引力》的预算约为1亿美元,汤姆·克鲁斯(Tom Cruise)的《明日边缘》的预算为1.78亿美元),但其技术含量也有限。

首先,印度的运载火箭能力不强。其极轨道卫星运载火箭的地球同步轨道运载能力仅超过1吨,仅为中国长征五号火箭的十分之一。庞志浩说,由于火箭的能力有限,印度只能带着“啃骨头的蚂蚁精神”和通过探测器绕地球的多重轨道变化飞往火星。

这种相对“原始”的方法长期以来一直不受航天工业的欢迎,因为它会消耗大量燃料,并直接影响其工作寿命。事实证明,尽管曼加里安在到达火星后进行了一些探索,但它只是重复了前人的做法,没有获得有价值的科学数据。

第二艘月球飞船也是如此。庞志浩表示,与中国的嫦娥三号和嫦娥四号在登月时使用大型可变推力发动机不同,印度不具备这种技术能力,因此它并行使用多个发动机,并通过控制发动机的工作数量来调整推力。与此同时,姿态控制引擎数量很少,后备力量也不够。探头的最终碰撞可能与发动机在切换过程中失去控制有关。

庞志浩认为,尽管印度已经实施了一些低成本的太空任务,但它过于强调成本,这一方面会增加风险,另一方面也使得难以获得有价值的科学成果。如上述项目,最终的收获主要具有政治意义和一定的工程意义,但科学价值极其有限。

正确省钱之道:钱花在最前沿,通过创新获得最大利益

2007年9月,日本也发射了第一颗月球轨道飞行器——月亮女神1号。与印度“糟糕的旅行”相比,日本走的是“没钱”的路线。月亮女神项目耗资约4亿美元,被日本称为“仅次于美国阿波罗计划的最大、最复杂的月球探索项目”。

俗话说,“一分钱一分货”,建造得很重的月亮女神一号的技术非常复杂。庞志浩说,它由一个主探测器和两个子探测器组成。配备15种精密仪器,其中一些仪器的检测精度是以前同类设备的10倍甚至100倍。这使它能够以前所未有的精度对月球进行全面观测,并获得大量全新而有价值的探测数据。

然而,我们要花这么多钱才能进行太空飞行吗?事实上,低成本空间活动的成功案例并非没有,嫦娥一号在中国的飞行任务就是其中之一。

2004年初,中国月球探测项目的第一阶段启动。国务院批准该项目20亿元,实际支出14亿元,包括嫦娥一号探测器和火箭的研制,以及两个地面监测站的建设。剩余的6亿元被用来开发备用探测器嫦娥二号。根据当时的汇率,14亿元人民币相当于1.7亿美元左右。

2007年实施的嫦娥一号任务在工程和技术上都取得了巨大成功。它不仅使我国突破和掌握了一大批具有自主知识产权的核心和关键技术,也为以后的月球探测和深空探测任务奠定了基础。它取得了许多重要的科学成就,例如获得了120米分辨率的整个月球的图像,并验证了月球上14种有用元素的含量和分布。特别是,我国采用创新的理念解决了ccd相机和激光高度计拍摄月球表面的问题,并获得了世界上第一张三维满月图。

由于嫦娥一号的成功,原本是嫦娥一号备份的嫦娥二号成为月球探测项目第二阶段的试点星。它不仅把月球探测的结果带得更远,为后续的月球任务探索了道路,而且还成功地进行了一些膨胀试验。它的日地拉格朗日两点探测器和它对图图蒂斯小行星的飞越探测器已经产生了有价值的科学数据。最后,它飞到了1亿公里以外,验证了中国的深空探测能力。

可以看出,虽然中国也注重节约成本,但所花的钱并不是盲目节约的,而是每一分钱都花在前沿,通过技术创新寻求最大利益。

如果我们比较一下中国、日本和印度同时发射的月球探测器,月球1号成本最低,体积最小,重量最轻,并已广泛采用国际合作。月亮女神1号是最昂贵、最大、最重和技术最先进的,是与嫦娥1号一起独立开发的。从任务完成情况来看,月球船1号“提前离开”,而中国和日本的月球探测器都延长了服务时间并成功完成了任务。

庞志浩表示,所谓的成本节约不仅要着眼于眼前的利益和寻求廉价的价格,还要考虑到任务的整体情况。例如,在载人航天领域,中国的天宫一号目标飞船跳过了“首次亮相”,直接跳过了向国外发射两艘飞船以验证交会对接技术的过程。另一个例子是货船。俄罗斯的方法是将联盟号改为进步号货船,而中国的天舟1号货船是基于天宫号的改进。虽然研发成本相对较大,但运输能力却是进步号(Progress ship)的近2倍,可以大大节省后期运营成本。

总的来说,不可能无限期地降低火箭、航天器和人力的成本,更不用说牺牲任务目标的成本了。“技术含量”的真正节约是花钱做更多的事情,但这需要以技术创新为基础。

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