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曼加里安号火星探测器

曼加里安号火星探测器

印度首颗火星探测器（英语：Mars 轨道飞行器 Mission，MOM），又称“'曼加里安'号（Mangalyaan，梵语：मंगलयान，意为“火星之船”），是印度研制的首个火星探测器，其主要任务是：测试行星际探索的关键技术，并利用其五种科学仪器从轨道上研究火星表面和大气，分析火星的形态、寻找甲烷的证据。

“曼加里安”号火星探测器基于印度的"月船一号"的平台开发，探测器主体是一个约1.5米的立方体，由铝和复合纤维增强塑料夹层材料构成。该探测器发射质量1350kg，其中燃料重量852kg，环火质量500kg，其科学载荷总计15kg。科学载荷包括：拉曼-α测光仪（LAP）、火星甲传感器（MSM）、火星外大气层中性成分分析器（MENCA）、火星彩色相机（MCC）、热红外成像光谱仪（TIS）。该探测器绕火星椭圆轨道365.3kmx80000km，轨道倾角17.8°。

“曼加里安”号火星探测器于2013年11月5日，在印度南部斯里赫里戈达岛萨蒂什·达万航天中心发射升空。经过6次点火提升轨道的远地点，探测器于2013年12月1日离开地球轨道，飞向火星。经过300天的巡航后，2014年9月24日进入火星轨道。该探测器任务计划在火星轨道停留6-10个月，但一直运行到2022年4月，探测器与地面站失去联系。“曼加里安”号火星探测器总造价为45亿印度卢比（约合7000万美元）。

“曼加里安”号火星探测器被《时代》周刊评为“2014年25项年度最佳发明”。印度空间研究组织火星轨道飞行器项目团队，获美国国家航天协会颁发2015年科学与工程类太空先锋奖。作为亚洲唯一成功的火星探测器，“曼加里安”号让印度成为世界上第四个成功进行火星探测的国家和组织，而且是世界上第一个首次火星探测就获得成功的国家，对印度航天和科学界具有重要的象征意义。

研发历程

研制背景

人类火星探测起步于20世纪60年代，在“曼加里安”号火星探测器发射之前，包括美国在内的多个国家就已经进行了多次火星探测活动。1960年10月，苏联向火星先后发射了两个探测器“火星1A”号和“火星1B”号，但均未成功。直到1964年10月，美国水手4号探测器才向地球传回人类史上第一张有关火星表面的近距离图像，开启了人类火星探测的新篇章。

印度的空间计划始于20世纪60年代，被誉为印度"太空之父"的沙罗白博士看到了空间技术促进国家发展的巨大潜力，并预期空间技术将在国家发展和解决印度民众实际问题上发挥重要作用。在其与印度国会和政府的努力争取游说下，印度于1962年成立了专职航天机构——国家空间研究委员会。

1972年，印度成立了太空委员会（SC）和太空部（DOS）。太空委员会负责印度太空活动的政策起草和科研项目监管，并带来社会经济效益；太空部所属的印度空间研究组织拥有专门负责研究太空发展计划的太空科学咨询委员会（ADCOS）。

1975年借助苏联的宇宙-3（Cosmos3）运载火箭，印度的第一颗人造卫星"阿耶波多"（Aryabhata）从苏联的火箭发射场成功发射。此后，印度开始逐步掌握了卫星设计、研制、测控等方面的技术。1980年7月18日，印度使用自行研制的运载火箭，在本国发射场成功地将一颗试验卫星送入轨道，印度由此成为世界上第8个能独立发射卫星的国家。2001年10月，印度用"极地卫星运载火箭"（PSLV）把3颗卫星送入轨道。2004年9月，印度的第二代"地球同步卫星运载火箭"（GSLV）将一颗1.95t的教育卫星送入地球上空3.6×10'km的轨道。继美国、俄罗斯、中国、法国和日本之后，成为第6个具备使用超低温发动机发射对地同步卫星能力的国家。

2007年，印度太空科学咨询委员会将印度第11个5年计划（2007-2012年）中的太空科学发展重点聚集于5个方面：地外行星探测、天文与天体物理研究、太空天气、地球天气与气候，开展了多项新太空任务，包括火星探测器、月球探测器、小行星探测器、彗星飞略与外太阳系探索等任务。"十一五"期间开展研制的"曼加里安"、月船-2、天文卫星-1（Astrosat-1），阿迪亚--1（Aditya-1）等深空探测项目。

2007年1月，印度发射并回收了首个返回式太空舱。2008年4月，印度空间研究组织（ISRO）用一枚自行研制的极地卫星运载火箭-C9成功搭载10颗卫星上天，创下了印度航天史纪录。2008年11月，印度首个月球探测器月船-1（Chandrayaan-1）所携带的撞击探测器成功撞月，使印度成为继美国、俄罗斯和欧盟之后，第4个国旗图案出现在月表的国家。

研制过程

初期设想

2010年，印度开始规划第一个火星探测器任务，并设想使用同步卫星发射火箭（GSLV）来发射，但2010年GSLV火箭的连续发射失败使这一想法搁浅，转而改用可靠性得到检验的极地卫星发射火箭（PSLV）发射。PSLV火箭运力有限，无法将探测器直接送入火星转移轨道，探测器要在地球轨道上自行提升轨道，并最终完成进入火星轨道的加速。

"月船一号"方案

2011年，俄罗斯"福布斯·土壤"（Phobos-Grunt）探测器的失败其后的整顿审查耽搁了印度"月船2号"（Chandrayaan-2）的研制进程。"月船二号"原定使用俄罗斯的着陆器，但遭遇俄罗斯的多次拖延后，印度科学家最终放弃合作，转而自主研制"月船二号"任务的着陆器，这导致"月船二号"探测任务至少要推迟到2016年甚至2017年才能发射。为了填补这段时间的印度深空探测的空白，印度空间研究组织向政府提出了以"月船一号"备份星为基础的火星探测器方案，并得到印度政府的大力支持。

正式批准火星探测器计划

印度火星探测器的消息从2012年开始见于报端，2012年3月，印度和美国媒体都报道了火星探测器的消息，称这个探测器主要用于研究火星大气，探测器的研制和发射原来计划在2016或2018年发射窗口，但随着印度政府提供了更多的预算，研制计划大幅提前有望在2013年的火星发射窗口发射。同年8月16日，印度总理曼莫汉·辛格宣布，印度计划2013年发射环绕火星的探测器，并称这一火星计划将花费45亿印度卢比，航天器计划于2013年11月由印度空间研究组织研发的火箭发射升空。

2013年初，印度空间研究组织削减了探测器的载荷，数量和质量都有所下降，总质量只有15千克，而种类也减少为5种，其中仅有一部彩色相机（MCC），不过"曼加里安"的主要任务是探测火星大气中的甲烷，为此携带了一个火星甲烷探测器（MSM）。基于技术验证的目的，印度并没有像"月船一号"月球探测器那样搭载国际载荷，而是所有载荷刻意全由印度国内自行研制。

2013年8月9日，印度政府正式批准了印度空间研究组织的火星探测器计划。9月天问一号的主体结构已经完成，同年10月，探测器的440牛远地点发动机首次进行点火试验。印度空间研究组织把这个火星探测器称为"曼加里安（Magalayaan），使用印度的PSLV火箭发射，探测器携带总质量25千克的7种仪器，最终进入近地点500千米、远地点80000千米的火星轨道。

研制团队

参与该任务的一些ISRO科学家和工程师包括：

基本设计

总体设计

“曼加里安”号火星探测器是一个无人轨道飞行器，基于印度的"月船一号"的平台开发，探测器主体是一个大约1.5米的立方体，由铝和复合纤维增强塑料夹层材料构成。该探测器发射质量1350kg，其中燃料重量达852千克，环火质量500kg，由于燃料比例高，导致载荷总计只有15千克。它携带5台科学仪器（包括：拉曼-α测光仪（LAP）、火星甲烷传感器（MSM）、火星外大气层中性成分分析器（MENCA）、火星彩色相机（MCC）、热红外成像光谱仪（TIS））。

分系统设计

电力系统

为了在火星轨道上进行正常通信，它在设计上使用二次展开的单侧太阳能电池翼，3块太阳能帆板面积均为1.8米X1.4米，它们在火星轨道上也可产生840瓦的电力，星载蓄电池为36安时的锂电池。

推进装置

“曼加里安”号火星探测器轨道控制使用一个440牛的常规发动机，另外还有8个22牛的发动机用于姿态控制，姿态控制系统包括4个可提供5牛×毫秒角动量的动量轮。

天线

“曼加里安”号火星探测器安装了一个2.2米直径的大直径高增益天线，确保和印度深空网的联系并高速传回数据，此外还装有中增益和低增益天线各一个。

载荷仪器

拉曼-α测光仪

拉曼-α测光仪（Lyman Alpha Photometer，LAP）主要用于从火星高空大气层（通常是外大气层和外大气层底部）的拉曼-α散射中测量和氢的相对丰度，研究水从火星上耗散过程和逃逸机理，仪器质量1.98kg。

火星甲烷传感器

火星甲烷传感器（Methane Sensor for Mars，MSM）火星甲烷传感器设计用于以ppb（十亿分之一）量级精度测量火星大气层中甲烷的含量并研究其来源，仪器质量2.94kg。当传感器测量到火星反射的太阳辐射，就可以收集到被照射区域的数据。分析表明，火星大气层中甲烷浓度随空间和时间的变化而变化。美方专家认为MSM设计有缺陷，无法实际确定甲烷的情况，甚至无法对看到的羽流进行采样。

火星外大气层中性成分分析器

火星外大气层中性成分分析器（Mars Exospheric Neutral Composition Analyser，MENCA）是一种四极杆结构的质谱仪，能够以单位质量分辨率分析1-300原子质量单位范围内的中性成分，仪器质量3.56kg。这一载荷继承了“月球航行2”月球探测器携带的中性质谱仪（Altitudinal Composition Explorer，CHACE）的相关功能。

火星彩色相机

火星彩色相机（Mars Color Camera，MCC）提供火星表面特征和火星表面结构的图像和信息，质量1.27kg。此外，MCC对监测火星表面动态事件和天气非常有用。火星彩色照相机还可用于探测火星的两个卫星——火卫一和火卫二。另外，还可以为其他科学载荷提供相关环境信息。

热红外成像光谱仪

热红外成像光谱仪（Thermal Infrared Imaging Spectrometer，TIS）测量火星的热辐射，白天和黑夜均可使用，质量3.2kg。温度和辐射率是热辐射测量的两个基本物理参数富许多矿物和土壤类型都在热红外光谱区域中有其特征光谱。热红外成像光谱仪可用于绘制火星的表面结构和矿物成分。

性能参数

任务规划

任务目标

工程目标

“曼加里安”号火星探测器的主要任务是探测火星大气中是否存在甲烷，揭示火星如何变成一颗寒冷、干燥的星球。

科学任务

“曼加里安”号火星探测器科学目标是：探测火星表面地形地貌、地质结构和物质成分；探测火星大气环境。利用甲烷传感器测量甲烷，这种气体可能隐藏着火星曾经存在或可能依然存在生命的线索；利用测光仪检测火星大气中的觉氢比例；利用质谱仪分析大气成分；利用红外光谱仪探测火星表面的“热”点和冰雪及其分布区域。

后续任务

2014年10月28日，印度宣布将于2018年发射第二个天问一号，新的火星探测器将使用运力更大的GSLV MK3火箭发射，它包括一个重量更大、性能更强的轨道器，此外还将释放一个小型着陆器，挑战火星着陆技术。2016年，印度“火星轨道器二号”项目开始征集有效载荷，计划发射时间是2020年。不过“火星轨道器二号”的具体方案却一直没有确定，最初有携带小型着陆器的说法，2016年还有报道称法国将参与这个计划，帮助印度研制着陆器。2017年，印度政府为“火星轨道器二号”正式拨款。2018年印度空间研究组织（ISRO）主席斯万表示，印度和法国在“火星轨道器二号”上尚无合作，未来不排除开展合作。

截至2023年9月，印度火星轨道器二号还没有正式立项。2021年印度空间研究组织主席接受采访时表示，该任务将仅包括一个轨道器，但会使用气动制动减速，并携带高光谱相机、雷达和超高分辨率相机，对火星地形地貌和地壳开展观测研究。

运载火箭

执行“曼加里安”号火星探测器发射任务的是印度自行研制的极轨运载火箭（PSLV-C25），该火箭是印度借助俄罗斯技术研制的四级固液混合运载火箭，长44米，可运载超过3250公斤的卫星进入近地轨道。该火箭自1993年9月20日至2013年11月5日，累计发射25次，其中23次成功，是印度技术最可靠的运载火箭。

发射场地

“曼加里安”号火星探测器在印度南部斯里赫里戈达岛的萨蒂什·达万航天中心发射升空。

萨迪什·达万航天中心（Satish Dhawan Space Centre，缩写为SDSC），是印度空间研究组织的主要航天发射场，该发射中心建于1971年。萨迪什·达万航天中心位于印度安得拉邦的斯里赫里戈达岛，距南印大城市金奈约80公里。该设施最初名为斯里赫里戈达靶场（SHAR），主要用于发射探空火箭。2002年，印度太空研究组织的前主席萨迪什·达万（英语：Satish Dhawan）在这一年去世，为纪念他而改为“萨迪什·达万”。截至2024年3月，萨迪什·达万航天中心有两个发射台，拥有将卫星发射到近地轨道、极地轨道和地球静止转移轨道所需的基础设施。

地面部分

地面部分系统形成一个集成系统，支持“曼加里安”号火星探测器任务的发射阶段和轨道阶段。印度空间研究组织（ISRO）遥测跟踪和指挥网络（ISTRAC）为TTC地面站、地面站和控制中心之间的通信网络、包括计算机、存储、数据网络和控制室设施的控制中心以及印度空间科学数据提供支持任务中心（ISSDC）。

启动阶段

运载火箭从升空到航天器分离的整个飞行过程中，由地面站网络进行跟踪，地面站接收来自运载火箭的遥测数据，并将其实时传输到斯里哈里科塔的任务计算机系统，并在那里进行处理。位于文莱布莱尔港Sriharikota的地面站提供对PSLV-C25从升空到PSLV-C25第三级燃尽的连续跟踪。两艘携带船载终端（SBT）的船只正在南太平洋的适当位置部署，以支持从PS4点火到航天器分离期间对运载火箭的跟踪。

轨道阶段

“曼加里安”号天问一号与运载火箭分离后，火星探测器的操作由班加罗尔的航天器控制中心控制。为了确保执行任务行动所需的覆盖范围，位于班加罗尔、毛里求斯、文莱和比亚克的ISTRAC地面站得到巴西INPE的阿尔坎塔拉和库亚巴TTC站、SANSA的Hartebeestoek TTC站以及巴西的DSN网络的补充。喷气推进实验室、美国航空航天局。

任务经过

发射经过

2013年11月5日当地时间下午2点38分（北京时间下午5点08分），“曼加里安”号火星探测器在印度南部斯里赫里戈达岛萨蒂什·达万航天中心点火升空。在运载火箭点火升空45分钟后，“曼加里安”号火星探测器成功与火箭分离，进入地球同步轨道（由于印度火箭推力不足，探测器需绕地球1月左右时间，进行变轨后达到预定高度才能飞向火星）。

轨道提升机动

第一次轨道提升机动于2013年11月6日当地时间01时17分（UTC19时47分）进行，“曼加里安”号天问一号发动机点火416秒，将“曼加里安”号火星探测器的远地点（距地球最远的点）从23550公里提升至28825公里。

第二次轨道提升机动于2013年11月7日当地时间02时18分（世界标准时间20时48分）进行，发动机点火570.6秒，将“曼加里安”号火星探测器的远地点提升至40186公里。

第三次轨道提升机动于2013年11月8日当地时间02时10分（UTC20时40分）进行，发动机点火707秒，将“曼加里安”号火星探测器的远地点提升至71636公里。

第四次轨道提升机动于2013年11月11日当地时间02时06分（世界标准时间20时36分）开始，但由于火箭出现故障，火箭的液体发动机突然停止工作，推力发动机短暂失去动力，改为自动运行，致使变轨时的增量速度只有35m/s，远低于计划中的130m/s。使“曼加里安”号火星探测器的远地点仅提升至78276公里，远地点高度未能达到预定的10万公里。但印度空间研究组织否认探测任务失败，称探测器状态“健康”，并称将在当地时间12日进行辅助操作。

2013年11月12日，印度空间研究组织成功进行了轨道校正，将“曼加里安”号火星探测器的远地点提高到118642千米。随后“曼加里安”号火星探测器又进行了一次轨道提升，将远地点提升到192874千米。

送入火星转移轨道

2013年12月1日，“曼加里安”号火星探测器在地球轨道上进行了最后一次点火，产生约648米/秒的速度增量，将探测器送入火星转移轨道。12月1日零时49分（当地时间），印度空间研究机构宣布，“曼加里安”号火星探测器成功脱离地球轨道，正式飞往火星。

轨迹修正动作

原计划进行4次轨迹修正动作，实际只进行了3次。第一次轨迹修正机动(TCM)于2013年12月11日当地时间06时30分（UTC01时00分），发动机点火持续40.5秒。第二次轨迹修正操作于2014年6月11日当地时间4时30分（世界标准时间11时零分）进行，发动机点火持续16秒。第三次轨迹修正原计划于2014年8月进行，由于“曼加里安”号火星探测器的轨道与计划轨道非常匹配，第三次计划的轨道修正机动被推迟。2014年9月22日进行的第三次轨迹修正也是减速测试，发动机点火持续3.968秒。使用了8个22牛的姿态控制推进器。

进入火星轨道

2014年9月24日，“曼加里安”号火星探测器抵达火星轨道，并成功进入近地点421.7千米、远地点76993.6千米和轨道倾角150度的环火星轨道，上面的彩色相机（MCC）很快将拍摄的第一幅火星照片传回地球。印度一举成为亚洲第一个成功实施火星探测的国家。

探测经过

2014年9月25日，“曼加里安”号火星探测器向地球传回了它在距离火星7300km高度拍摄的首张火星照片。10月7日，印度空间研究组织改变了火星探测器的轨道，以便在2014年10月19日赛丁斯普林彗星到达时，将其移到火星的后面。在这次机动中，航天器消耗了1.9公斤燃料。

2015年3月4日，“曼加里安”号火星探测器传回了一组新图像，显示了火星表面的一座火山和一个峡谷，以及火星的卫星——火卫一。3月24日，该探测器完成了其为期六个月的绕火星轨道任务。ISRO将任务期限再延长了六个月；该航天器还剩39公斤推进剂，所有五台科学仪器均正常工作。ISRO称，“曼加里安”号火星探测器可以使用剩余的推进剂继续绕火星运行数年。2015年6月2日至2015年7月2日期间，MOM因太阳合相而经历了一次通信“中断”。9月24日，为纪念“曼加里安”号火星探测器在火星轨道运行一周年，印度空间研究组织（ISRO）在班加罗尔发布了一份“火星地图集”。

2016年5月18日至30日期间，地球直接位于太阳和火星之间，与“曼加里安”号火星探测器发生了通信中断。由于太阳辐射较高，避免向航天器发送命令，有效载荷操作也被暂停。探测器获得了自主指挥功能，这使其能够在没有任何地面指挥或干预的情况下度过通信“停电”期。直到6月14日，“曼加里安”号火星探测器恢复与地球通信。

2017年1月17日，为了避免即将发生的长时间日食，“曼加里安”号火星探测器的轨道发生了改变。八个22N发动机点火持续431秒，使用20公斤推进剂（剩余13公斤）产生每秒97.5米（351公里/小时）的速度差。5月19日，“曼加里安”号火星探测器在火星轨道上已运行达1000天。在此期间，航天器完成了388圈火星轨道运行，并将超过715张图像传回地球。ISRO官员表示，它仍然处于良好的状态。

2018年9月24日，“曼加里安”号火星探测器在火星轨道上运行了4年。火星彩色相机已拍摄了980多张图像并向公众发布。ISRO称，该探测器仍处于良好工作状态。

2019年9月24日，“曼加里安”号火星探测器在火星轨道上运行了5年，ISRO在ISSDC网站上向注册用户发布了火星轨道飞行器任务的“第四年数据”。

2020年7月1日，“曼加里安”号火星探测器在距离火星约7200公里，距离火卫一约4200公里外，拍摄到了一张火星卫星火卫一的照片。

2021年7月18日，火星彩色相机（MCC）在距离火星75,000公里处拍摄到火星全貌图像，空间分辨率约3.7千米。

2022年10月3日，印度空间研究组织发表声明宣布，在围绕火星运行八年之后，“曼加里安”号火星探测器与地面站失去联系。该机构经研究认定，与探测器的联系已经无法恢复，“曼加里安”号的寿命走到了尽头。ISRO官员称，探测器在火星轨道上遭遇了一连串的日食，其中包括一次持续七个半小时的日食，这导致电池能量耗尽。另一名匿名官员补充说“曼加里安”号火星探测器的电池设计只能承受大约1小时40分钟的日食，长时间的日食会导致探测器无法及时充电，最终使得电池电量低于安全极限。

主要成果

2016年3月，该任务的第一个科学成果《关于火星夜间外大气层：火星轨道器 MENCA 观测结果》（On the evening 时间 exosphere of Mars: Result from MENCA aboard Mars 轨道飞行器 Mission）发表在《地球物理研究快报》上。

截至2024年3月，“曼加里安”号火星探测器搭载的火星彩色相机（MCC）已回传了1100多张图像，并发布了火星地图集。

文化纪念

2016年10月，“曼加里安”号火星探测器拍摄的照片成为《国家地理》杂志的封面照片。

2018年8月，印度储备银行(RBI)宣布推出新的2000印度卢比纸币，纸币的背面印有“曼加里安”号火星探测器的插图。

意义与影响

意义

曼加里安号火星探测器使印度成为亚洲首个，继美国、俄罗斯和欧盟之后全球第4个依靠自主研发实现火星探测的国家，也是全世界唯一一个首次火星探测任务就成功的国家。火星探测项目的成功是印度太空发展史上的一座里程碑，标志着这个拥有12亿人口的国家有能力完成复杂太空工程，可以作为全球发射中心发射商业、导航和研究卫星，同时也标志着印度进入世界太空技术精英国家俱乐部。

影响

在军事与国防总体能力方面，是印度继1998年成功进行3次地下核试验、2012年成功试身时自主开发的能携带核弹头的烈火-5导弹之后又一次标志性提升；在深空探测方面，是继2008年10月印度月船—1（Chandrayaan-1）执行探月任务之后，印度第2次大型深空探测项目，有助于推进印度"十二五"期间的各项太空科学活动；在经济提振方面，印度国内"应该将钱花在卫生福利方面"的舆论消失了，有助于带动印度经济和自信心的恢复；在国际政治方面，改变了西方媒体对印度航天一直唱衰的态度。