近日，印度空间组织宣称，计划于今年底启动该国第二次火星探测任务“火星轨道任务2号”（英文缩写MOM-2，又称为“曼加里安2号”）。MOM-2的目标是将着陆器、漫游车、无人机投送到火星表面，使印度成为继美国、中国后第三个在火星地表持续开展科学实验的国家。那么，以印度航天的技术水平，为了实现这些目标，还有必要突破、掌握哪些高难技术？面临怎样的挑战？又有哪些手段能够提供帮助呢？
印度航天将借鉴美国好奇号火星车使用的“空中吊车”技术
彰显实力标准高
虽然起步较晚，但印度航天在火星探索领域取得的成就不俗。2013年11月，印度“火星轨道任务1号”（英文缩写MOM-1，又称为“曼加里安1号”）成功发射。2014年9月，印度首个火星探测器进入火星轨道，成为第四个成功探火的国家。这也是亚洲国家的火星探测器首次成功进入目标轨道。
从那时起，直到2022年退役，该探测器持续对火星进行成像，利用5套载荷，开展火星地表、大气、地质矿物等研究，收获了一定的成果，也为印度科研人员开展更高水平的火星科学探测任务MOM-2提振了信心。
近年来，国际火星科考持续“升温”，多国火星车已经或即将踏上火星地表，实施巡视探测和采样。美国宇航局更是创新性在火星表面运作无人机，为未来更高效地探测火星奠定了技术基础。这些国际同行的成就都鼓舞并启发了印度科研人员，也将火星漫游车和无人机纳入了MOM-2方案规划。
按照印度空间组织的计划，MOM-2的作业方案更加复杂。它将进行多项科学实验，包括火星轨道尘埃实验、无线电掩星实验、高能离子光谱仪观测、朗缪尔探测器和火星电场实验等。这些工作将有助于科研人员更深入地了解火星早期历史，解析火星大气泄漏流失情况，还将尝试探索火卫一和火卫二周围可能存在的尘埃环。
困难不少需“补课”
运载火箭能力有多大，太空探索舞台就有多大。为了保证MOM-2任务成功，摆在印度航天面前的首要任务就是提升火箭运载能力。印度现役最强火箭是GSLV MK3，起飞质量约640吨，地球同步转移轨道运力为4吨，想要满足MOM-2相关需求，预计将改进芯一级以提升运力。
虽然印度已制定了新一代大型火箭和重型火箭发展规划，开始测试新型火箭发动机，但技术基础薄弱、科研生产投入不足的情况并未得到根本性改观，印度新一代火箭能否支撑MOM-2宏大的“舞台”，仍有待观察。
我们暂且认为，印度依靠技术进步和MOM-1积累的成功经验，可以将MOM-2航天器顺利地送入火星轨道。那么，确保航天器穿越火星大气并顺利着陆，将是印度航天面临的又一难关。
这个过程往往仅持续短短的数分钟，却是不折不扣的“惊魂时间”。通常来说，为了保证航天器安全着陆，科研人员必须为其配置合理高效的进入、下降与着陆（英文简称EDL）系统。首先，EDL需要以恰当的倾角进入火星大气，为了确保降落伞具备恰当的开伞高度，进入角只能在很小的偏差范围内选择。其次，进入火星大气后，EDL会按需要借助降落伞减缓下落速度。由于航天器会迅速从超声速降至亚声速范围内，超声速降落伞技术必不可少。此外，为了确保EDL的着陆器质心位置与降落伞纵轴重合，减小充气过载的影响，在开伞前有必要按照一定的时序依次释放配重单元，从而保障在降落伞顺利张开后，航天器的下降速度处于安全范围。
接下来，印度航天科研人员就需要为航天器安全着陆作好准备了。传统上，火星探测器采用的着陆缓冲方案有两种：着陆支架和缓冲气囊。
着陆支架方案能够承受较大载荷，但预选着陆点不能有斜坡和岩石，对火星遥感勘测水平的要求较高，并且航天器着陆瞬间存在较大冲击。
缓冲气囊方案虽然避免了这些问题，但可负担的有效载荷较小，只适合某些着陆质量较小的航天器。而且，缓冲气囊帮助航天器触地后，有可能发生弹跳，导致着陆精度相对较低。
此外，缓冲气囊存在排气不彻底等隐患，甚至有可能会变成“拦路虎”，阻碍火星车离开着陆器。当年美国旅居者号火星车和勇气号火星车都曾遇到了此问题。
挑战高难求外援？
印度航天科研人员权衡利弊后，决定挑战更高难度的方案。MOM-2将采用与美国好奇号火星车、毅力号火星车相似的着陆方案——“空中吊车”着陆缓冲技术。届时，“空中吊车”通过吊索与火星车相连，就像直升机吊运物体一样，主要分为动力下降段及飞离段。
在动力下降段，“空中吊车”借助数台变推力发动机，精确控制下降过程中的水平速度、垂直速度及高度变化。简单地说，“空中吊车”首先要“消除”水平速度，使系统转入垂直下降状态；当按下降轨道抵达预选着陆点上空数百米位置后，“空中吊车”将按恒定速度下降；当距离火星地表较近时，进入减速段，通过发动机持续工作，使垂直速度几乎降为零。
接下来，火星车与“空中吊车”大致分离，两者之间仅通过机械吊索和通信电缆保持连接与沟通，直至火星车安全着陆。紧接着，“空中吊车”启动飞离程序，在恰当的时刻切断吊索，远离火星车，避免相撞风险。
即便印度航天拥有月船3号探测器软着陆月面的经验，想要在通信时延更长的火星上安全地完成自主着陆过程，难度仍然很大。
与此同时，印度还需要研制自主工作能力更出色、抵御风沙和极端气候能力更强的火星漫游车，甚至运作火星无人机。这些无疑对印度的科研基础及工程实现能力都提出了极高的挑战。
不过，近年来，美国、欧盟等多方积极加深与印度航天合作，涉及先进卫星、载人航天、深空探测等领域。如果印度愿意付出一定代价，支持美欧更复杂的火星探测任务，或许有望在EDL、火星漫游车、火星直升机等关键系统的研发制造上得到国际帮助，进而在本国第二次火星探测任务中收获更多成果。
来源/《中国航天报·飞天科普周刊》
文/闫嘉伟