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來源：互聯網

印度首顆火星探測器（英語：Mars 軌道飛行器 Mission，MOM），又稱“'曼加里安'號（Mangalyaan，梵語：???????，意為“火星之船”），是印度研制的首個火星探測器，其主要任務是：測試行星際探索的關鍵技術，并利用其五種科學儀器從軌道上研究火星表面和大氣，分析火星的形態、尋找甲烷的證據。

“曼加里安”號火星探測器基于印度的"月船一號"的平臺開發，探測器主體是一個約1.5米的立方體，由鋁和復合纖維增強塑料夾層材料構成。該探測器發射質量1350kg，其中燃料重量852kg，環火質量500kg，其科學載荷總計15kg。科學載荷包括：拉曼-α測光儀（LAP）、火星甲傳感器（MSM）、火星外大氣層中性成分分析器（MENCA）、火星彩色相機（MCC）、熱紅外成像光譜儀（TIS）。該探測器繞火星橢圓軌道365.3kmx80000km，軌道傾角17.8°。

“曼加里安”號火星探測器于2013年11月5日，在印度南部斯里赫里戈達島薩蒂什·達萬航天中心發射升空。經過6次點火提升軌道的遠地點，探測器于2013年12月1日離開地球軌道，飛向火星。經過300天的巡航后，2014年9月24日進入火星軌道。該探測器任務計劃在火星軌道停留6-10個月，但一直運行到2022年4月，探測器與地面站失去聯系。“曼加里安”號火星探測器總造價為45億印度盧比（約合7000萬美元）。

“曼加里安”號火星探測器被《時代》周刊評為“2014年25項年度最佳發明”。印度空間研究組織火星軌道飛行器項目團隊，獲美國國家航天協會頒發2015年科學與工程類太空先鋒獎。作為亞洲唯一成功的火星探測器，“曼加里安”號讓印度成為世界上第四個成功進行火星探測的國家和組織，而且是世界上第一個首次火星探測就獲得成功的國家，對印度航天和科學界具有重要的象征意義。

研發歷程

研制背景

人類火星探測起步于20世紀60年代，在“曼加里安”號火星探測器發射之前，包括美國在內的多個國家就已經進行了多次火星探測活動。1960年10月，蘇聯向火星先后發射了兩個探測器“火星1A”號和“火星1B”號，但均未成功。直到1964年10月，美國水手4號探測器才向地球傳回人類史上第一張有關火星表面的近距離圖像，開啟了人類火星探測的新篇章。

印度的空間計劃始于20世紀60年代，被譽為印度"太空之父"的沙羅白博士看到了空間技術促進國家發展的巨大潛力，并預期空間技術將在國家發展和解決印度民眾實際問題上發揮重要作用。在其與印度國會和政府的努力爭取游說下，印度于1962年成立了專職航天機構——國家空間研究委員會。

1972年，印度成立了太空委員會（SC）和太空部（DOS）。太空委員會負責印度太空活動的政策起草和科研項目監管，并帶來社會經濟效益；太空部所屬的印度空間研究組織擁有專門負責研究太空發展計劃的太空科學咨詢委員會（ADCOS）。

1975年借助蘇聯的宇宙-3（Cosmos3）運載火箭，印度的第一顆人造衛星"阿耶波多"（Aryabhata）從蘇聯的火箭發射場成功發射。此后，印度開始逐步掌握了衛星設計、研制、測控等方面的技術。1980年7月18日，印度使用自行研制的運載火箭，在本國發射場成功地將一顆試驗衛星送入軌道，印度由此成為世界上第8個能獨立發射衛星的國家。2001年10月，印度用"極地衛星運載火箭"（PSLV）把3顆衛星送入軌道。2004年9月，印度的第二代"地球同步衛星運載火箭"（GSLV）將一顆1.95t的教育衛星送入地球上空3.6×10'km的軌道。繼美國、俄羅斯、中國、法國和日本之后，成為第6個具備使用超低溫發動機發射對地同步衛星能力的國家。

2007年，印度太空科學咨詢委員會將印度第11個5年計劃（2007-2012年）中的太空科學發展重點聚集于5個方面：地外行星探測、天文與天體物理研究、太空天氣、地球天氣與氣候，開展了多項新太空任務，包括火星探測器、月球探測器、小行星探測器、彗星飛略與外太陽系探索等任務。"十一五"期間開展研制的"曼加里安"、月船-2、天文衛星-1（Astrosat-1），阿迪亞--1（Aditya-1）等深空探測項目。

2007年1月，印度發射并回收了首個返回式太空艙。2008年4月，印度空間研究組織（ISRO）用一枚自行研制的極地衛星運載火箭-C9成功搭載10顆衛星上天，創下了印度航天史紀錄。2008年11月，印度首個月球探測器月船-1（Chandrayaan-1）所攜帶的撞擊探測器成功撞月，使印度成為繼美國、俄羅斯和歐盟之后，第4個國旗圖案出現在月表的國家。

研制過程

初期設想

2010年，印度開始規劃第一個火星探測器任務，并設想使用同步衛星發射火箭（GSLV）來發射，但2010年GSLV火箭的連續發射失敗使這一想法擱淺，轉而改用可靠性得到檢驗的極地衛星發射火箭（PSLV）發射。PSLV火箭運力有限，無法將探測器直接送入火星轉移軌道，探測器要在地球軌道上自行提升軌道，并最終完成進入火星軌道的加速。

"月船一號"方案

2011年，俄羅斯"福布斯·土壤"（Phobos-Grunt）探測器的失敗其后的整頓審查耽擱了印度"月船2號"（Chandrayaan-2）的研制進程。"月船二號"原定使用俄羅斯的著陸器，但遭遇俄羅斯的多次拖延后，印度科學家最終放棄合作，轉而自主研制"月船二號"任務的著陸器，這導致"月船二號"探測任務至少要推遲到2016年甚至2017年才能發射。為了填補這段時間的印度深空探測的空白，印度空間研究組織向政府提出了以"月船一號"備份星為基礎的火星探測器方案，并得到印度政府的大力支持。

正式批準火星探測器計劃

印度火星探測器的消息從2012年開始見于報端，2012年3月，印度和美國媒體都報道了火星探測器的消息，稱這個探測器主要用于研究火星大氣，探測器的研制和發射原來計劃在2016或2018年發射窗口，但隨著印度政府提供了更多的預算，研制計劃大幅提前有望在2013年的火星發射窗口發射。同年8月16日，印度總理曼莫漢·辛格宣布，印度計劃2013年發射環繞火星的探測器，并稱這一火星計劃將花費45億印度盧比，航天器計劃于2013年11月由印度空間研究組織研發的火箭發射升空。

2013年初，印度空間研究組織削減了探測器的載荷，數量和質量都有所下降，總質量只有15千克，而種類也減少為5種，其中僅有一部彩色相機（MCC），不過"曼加里安"的主要任務是探測火星大氣中的甲烷，為此攜帶了一個火星甲烷探測器（MSM）。基于技術驗證的目的，印度并沒有像"月船一號"月球探測器那樣搭載國際載荷，而是所有載荷刻意全由印度國內自行研制。

2013年8月9日，印度政府正式批準了印度空間研究組織的火星探測器計劃。9月天問一號的主體結構已經完成，同年10月，探測器的440牛遠地點發動機首次進行點火試驗。印度空間研究組織把這個火星探測器稱為"曼加里安（Magalayaan），使用印度的PSLV火箭發射，探測器攜帶總質量25千克的7種儀器，最終進入近地點500千米、遠地點80000千米的火星軌道。

研制團隊

參與該任務的一些ISRO科學家和工程師包括：

基本設計

總體設計

“曼加里安”號火星探測器是一個無人軌道飛行器，基于印度的"月船一號"的平臺開發，探測器主體是一個大約1.5米的立方體，由鋁和復合纖維增強塑料夾層材料構成。該探測器發射質量1350kg，其中燃料重量達852千克，環火質量500kg，由于燃料比例高，導致載荷總計只有15千克。它攜帶5臺科學儀器（包括：拉曼-α測光儀（LAP）、火星甲烷傳感器（MSM）、火星外大氣層中性成分分析器（MENCA）、火星彩色相機（MCC）、熱紅外成像光譜儀（TIS））。

分系統設計

電力系統

為了在火星軌道上進行正常通信，它在設計上使用二次展開的單側太陽能電池翼，3塊太陽能帆板面積均為1.8米X1.4米，它們在火星軌道上也可產生840瓦的電力，星載蓄電池為36安時的鋰電池。

推進裝置

“曼加里安”號火星探測器軌道控制使用一個440牛的常規發動機，另外還有8個22牛的發動機用于姿態控制，姿態控制系統包括4個可提供5牛×毫秒角動量的動量輪。

天線

“曼加里安”號火星探測器安裝了一個2.2米直徑的大直徑高增益天線，確保和印度深空網的聯系并高速傳回數據，此外還裝有中增益和低增益天線各一個。

載荷儀器

拉曼-α測光儀

拉曼-α測光儀（Lyman Alpha Photometer，LAP）主要用于從火星高空大氣層（通常是外大氣層和外大氣層底部）的拉曼-α散射中測量和氫的相對豐度，研究水從火星上耗散過程和逃逸機理，儀器質量1.98kg。

火星甲烷傳感器

火星甲烷傳感器（Methane Sensor for Mars，MSM）火星甲烷傳感器設計用于以ppb（十億分之一）量級精度測量火星大氣層中甲烷的含量并研究其來源，儀器質量2.94kg。當傳感器測量到火星反射的太陽輻射，就可以收集到被照射區域的數據。分析表明，火星大氣層中甲烷濃度隨空間和時間的變化而變化。美方專家認為MSM設計有缺陷，無法實際確定甲烷的情況，甚至無法對看到的羽流進行采樣。

火星外大氣層中性成分分析器

火星外大氣層中性成分分析器（Mars Exospheric Neutral Composition Analyser，MENCA）是一種四極桿結構的質譜儀，能夠以單位質量分辨率分析1-300原子質量單位范圍內的中性成分，儀器質量3.56kg。這一載荷繼承了“月球航行2”月球探測器攜帶的中性質譜儀（Altitudinal Composition Explorer，CHACE）的相關功能。

火星彩色相機

火星彩色相機（Mars Color Camera，MCC）提供火星表面特征和火星表面結構的圖像和信息，質量1.27kg。此外，MCC對監測火星表面動態事件和天氣非常有用。火星彩色照相機還可用于探測火星的兩個衛星——火衛一和火衛二。另外，還可以為其他科學載荷提供相關環境信息。

熱紅外成像光譜儀

熱紅外成像光譜儀（Thermal Infrared Imaging Spectrometer，TIS）測量火星的熱輻射，白天和黑夜均可使用，質量3.2kg。溫度和輻射率是熱輻射測量的兩個基本物理參數富許多礦物和土壤類型都在熱紅外光譜區域中有其特征光譜。熱紅外成像光譜儀可用于繪制火星的表面結構和礦物成分。

性能參數

任務規劃

任務目標

工程目標

“曼加里安”號火星探測器的主要任務是探測火星大氣中是否存在甲烷，揭示火星如何變成一顆寒冷、干燥的星球。

科學任務

“曼加里安”號火星探測器科學目標是：探測火星表面地形地貌、地質結構和物質成分；探測火星大氣環境。利用甲烷傳感器測量甲烷，這種氣體可能隱藏著火星曾經存在或可能依然存在生命的線索；利用測光儀檢測火星大氣中的覺氫比例；利用質譜儀分析大氣成分；利用紅外光譜儀探測火星表面的“熱”點和冰雪及其分布區域。

后續任務

2014年10月28日，印度宣布將于2018年發射第二個天問一號，新的火星探測器將使用運力更大的GSLV MK3火箭發射，它包括一個重量更大、性能更強的軌道器，此外還將釋放一個小型著陸器，挑戰火星著陸技術。2016年，印度“火星軌道器二號”項目開始征集有效載荷，計劃發射時間是2020年。不過“火星軌道器二號”的具體方案卻一直沒有確定，最初有攜帶小型著陸器的說法，2016年還有報道稱法國將參與這個計劃，幫助印度研制著陸器。2017年，印度政府為“火星軌道器二號”正式撥款。2018年印度空間研究組織（ISRO）主席斯萬表示，印度和法國在“火星軌道器二號”上尚無合作，未來不排除開展合作。

截至2023年9月，印度火星軌道器二號還沒有正式立項。2021年印度空間研究組織主席接受采訪時表示，該任務將僅包括一個軌道器，但會使用氣動制動減速，并攜帶高光譜相機、雷達和超高分辨率相機，對火星地形地貌和地殼開展觀測研究。

運載火箭

執行“曼加里安”號火星探測器發射任務的是印度自行研制的極軌運載火箭（PSLV-C25），該火箭是印度借助俄羅斯技術研制的四級固液混合運載火箭，長44米，可運載超過3250公斤的衛星進入近地軌道。該火箭自1993年9月20日至2013年11月5日，累計發射25次，其中23次成功，是印度技術最可靠的運載火箭。

發射場地

“曼加里安”號火星探測器在印度南部斯里赫里戈達島的薩蒂什·達萬航天中心發射升空。

薩迪什·達萬航天中心（Satish Dhawan Space Centre，縮寫為SDSC），是印度空間研究組織的主要航天發射場，該發射中心建于1971年。薩迪什·達萬航天中心位于印度安得拉邦的斯里赫里戈達島，距南印大城市金奈約80公里。該設施最初名為斯里赫里戈達靶場（SHAR），主要用于發射探空火箭。2002年，印度太空研究組織的前主席薩迪什·達萬（英語：Satish Dhawan）在這一年去世，為紀念他而改為“薩迪什·達萬”。截至2024年3月，薩迪什·達萬航天中心有兩個發射臺，擁有將衛星發射到近地軌道、極地軌道和地球靜止轉移軌道所需的基礎設施。

地面部分

地面部分系統形成一個集成系統，支持“曼加里安”號火星探測器任務的發射階段和軌道階段。印度空間研究組織（ISRO）遙測跟蹤和指揮網絡（ISTRAC）為TTC地面站、地面站和控制中心之間的通信網絡、包括計算機、存儲、數據網絡和控制室設施的控制中心以及印度空間科學數據提供支持任務中心（ISSDC）。

啟動階段

運載火箭從升空到航天器分離的整個飛行過程中，由地面站網絡進行跟蹤，地面站接收來自運載火箭的遙測數據，并將其實時傳輸到斯里哈里科塔的任務計算機系統，并在那里進行處理。位于文萊布萊爾港Sriharikota的地面站提供對PSLV-C25從升空到PSLV-C25第三級燃盡的連續跟蹤。兩艘攜帶船載終端（SBT）的船只正在南太平洋的適當位置部署，以支持從PS4點火到航天器分離期間對運載火箭的跟蹤。

軌道階段

“曼加里安”號天問一號與運載火箭分離后，火星探測器的操作由班加羅爾的航天器控制中心控制。為了確保執行任務行動所需的覆蓋范圍，位于班加羅爾、毛里求斯、文萊和比亞克的ISTRAC地面站得到巴西INPE的阿爾坎塔拉和庫亞巴TTC站、SANSA的Hartebeestoek TTC站以及巴西的DSN網絡的補充。噴氣推進實驗室、美國航空航天局。

任務經過

發射經過

2013年11月5日當地時間下午2點38分（北京時間下午5點08分），“曼加里安”號火星探測器在印度南部斯里赫里戈達島薩蒂什·達萬航天中心點火升空。在運載火箭點火升空45分鐘后，“曼加里安”號火星探測器成功與火箭分離，進入地球同步軌道（由于印度火箭推力不足，探測器需繞地球1月左右時間，進行變軌后達到預定高度才能飛向火星）。

軌道提升機動

第一次軌道提升機動于2013年11月6日當地時間01時17分（UTC19時47分）進行，“曼加里安”號天問一號發動機點火416秒，將“曼加里安”號火星探測器的遠地點（距地球最遠的點）從23550公里提升至28825公里。

第二次軌道提升機動于2013年11月7日當地時間02時18分（世界標準時間20時48分）進行，發動機點火570.6秒，將“曼加里安”號火星探測器的遠地點提升至40186公里。

第三次軌道提升機動于2013年11月8日當地時間02時10分（UTC20時40分）進行，發動機點火707秒，將“曼加里安”號火星探測器的遠地點提升至71636公里。

第四次軌道提升機動于2013年11月11日當地時間02時06分（世界標準時間20時36分）開始，但由于火箭出現故障，火箭的液體發動機突然停止工作，推力發動機短暫失去動力，改為自動運行，致使變軌時的增量速度只有35m/s，遠低于計劃中的130m/s。使“曼加里安”號火星探測器的遠地點僅提升至78276公里，遠地點高度未能達到預定的10萬公里。但印度空間研究組織否認探測任務失敗，稱探測器狀態“健康”，并稱將在當地時間12日進行輔助操作。

2013年11月12日，印度空間研究組織成功進行了軌道校正，將“曼加里安”號火星探測器的遠地點提高到118642千米。隨后“曼加里安”號火星探測器又進行了一次軌道提升，將遠地點提升到192874千米。

送入火星轉移軌道

2013年12月1日，“曼加里安”號火星探測器在地球軌道上進行了最后一次點火，產生約648米/秒的速度增量，將探測器送入火星轉移軌道。12月1日零時49分（當地時間），印度空間研究機構宣布，“曼加里安”號火星探測器成功脫離地球軌道，正式飛往火星。

軌跡修正動作

原計劃進行4次軌跡修正動作，實際只進行了3次。第一次軌跡修正機動(TCM)于2013年12月11日當地時間06時30分（UTC01時00分），發動機點火持續40.5秒。第二次軌跡修正操作于2014年6月11日當地時間4時30分（世界標準時間11時零分）進行，發動機點火持續16秒。第三次軌跡修正原計劃于2014年8月進行，由于“曼加里安”號火星探測器的軌道與計劃軌道非常匹配，第三次計劃的軌道修正機動被推遲。2014年9月22日進行的第三次軌跡修正也是減速測試，發動機點火持續3.968秒。使用了8個22牛的姿態控制推進器。

進入火星軌道

2014年9月24日，“曼加里安”號火星探測器抵達火星軌道，并成功進入近地點421.7千米、遠地點76993.6千米和軌道傾角150度的環火星軌道，上面的彩色相機（MCC）很快將拍攝的第一幅火星照片傳回地球。印度一舉成為亞洲第一個成功實施火星探測的國家。

探測經過

2014年9月25日，“曼加里安”號火星探測器向地球傳回了它在距離火星7300km高度拍攝的首張火星照片。10月7日，印度空間研究組織改變了火星探測器的軌道，以便在2014年10月19日賽丁斯普林彗星到達時，將其移到火星的后面。在這次機動中，航天器消耗了1.9公斤燃料。

2015年3月4日，“曼加里安”號火星探測器傳回了一組新圖像，顯示了火星表面的一座火山和一個峽谷，以及火星的衛星——火衛一。3月24日，該探測器完成了其為期六個月的繞火星軌道任務。ISRO將任務期限再延長了六個月；該航天器還剩39公斤推進劑，所有五臺科學儀器均正常工作。ISRO稱，“曼加里安”號火星探測器可以使用剩余的推進劑繼續繞火星運行數年。2015年6月2日至2015年7月2日期間，MOM因太陽合相而經歷了一次通信“中斷”。9月24日，為紀念“曼加里安”號火星探測器在火星軌道運行一周年，印度空間研究組織（ISRO）在班加羅爾發布了一份“火星地圖集”。

2016年5月18日至30日期間，地球直接位于太陽和火星之間，與“曼加里安”號火星探測器發生了通信中斷。由于太陽輻射較高，避免向航天器發送命令，有效載荷操作也被暫停。探測器獲得了自主指揮功能，這使其能夠在沒有任何地面指揮或干預的情況下度過通信“停電”期。直到6月14日，“曼加里安”號火星探測器恢復與地球通信。

2017年1月17日，為了避免即將發生的長時間日食，“曼加里安”號火星探測器的軌道發生了改變。八個22N發動機點火持續431秒，使用20公斤推進劑（剩余13公斤）產生每秒97.5米（351公里/小時）的速度差。5月19日，“曼加里安”號火星探測器在火星軌道上已運行達1000天。在此期間，航天器完成了388圈火星軌道運行，并將超過715張圖像傳回地球。ISRO官員表示，它仍然處于良好的狀態。

2018年9月24日，“曼加里安”號火星探測器在火星軌道上運行了4年。火星彩色相機已拍攝了980多張圖像并向公眾發布。ISRO稱，該探測器仍處于良好工作狀態。

2019年9月24日，“曼加里安”號火星探測器在火星軌道上運行了5年，ISRO在ISSDC網站上向注冊用戶發布了火星軌道飛行器任務的“第四年數據”。

2020年7月1日，“曼加里安”號火星探測器在距離火星約7200公里，距離火衛一約4200公里外，拍攝到了一張火星衛星火衛一的照片。

2021年7月18日，火星彩色相機（MCC）在距離火星75,000公里處拍攝到火星全貌圖像，空間分辨率約3.7千米。

2022年10月3日，印度空間研究組織發表聲明宣布，在圍繞火星運行八年之后，“曼加里安”號火星探測器與地面站失去聯系。該機構經研究認定，與探測器的聯系已經無法恢復，“曼加里安”號的壽命走到了盡頭。ISRO官員稱，探測器在火星軌道上遭遇了一連串的日食，其中包括一次持續七個半小時的日食，這導致電池能量耗盡。另一名匿名官員補充說“曼加里安”號火星探測器的電池設計只能承受大約1小時40分鐘的日食，長時間的日食會導致探測器無法及時充電，最終使得電池電量低于安全極限。

主要成果

2016年3月，該任務的第一個科學成果《關于火星夜間外大氣層：火星軌道器 MENCA 觀測結果》（On the evening 時間 exosphere of Mars: Result from MENCA aboard Mars 軌道飛行器 Mission）發表在《地球物理研究快報》上。

截至2024年3月，“曼加里安”號火星探測器搭載的火星彩色相機（MCC）已回傳了1100多張圖像，并發布了火星地圖集。

文化紀念

2016年10月，“曼加里安”號火星探測器拍攝的照片成為《國家地理》雜志的封面照片。

2018年8月，印度儲備銀行(RBI)宣布推出新的2000印度盧比紙幣，紙幣的背面印有“曼加里安”號火星探測器的插圖。

意義與影響

意義

曼加里安號火星探測器使印度成為亞洲首個，繼美國、俄羅斯和歐盟之后全球第4個依靠自主研發實現火星探測的國家，也是全世界唯一一個首次火星探測任務就成功的國家。火星探測項目的成功是印度太空發展史上的一座里程碑，標志著這個擁有12億人口的國家有能力完成復雜太空工程，可以作為全球發射中心發射商業、導航和研究衛星，同時也標志著印度進入世界太空技術精英國家俱樂部。

影響

在軍事與國防總體能力方面，是印度繼1998年成功進行3次地下核試驗、2012年成功試身時自主開發的能攜帶核彈頭的烈火-5導彈之后又一次標志性提升；在深空探測方面，是繼2008年10月印度月船—1（Chandrayaan-1）執行探月任務之后，印度第2次大型深空探測項目，有助于推進印度"十二五"期間的各項太空科學活動；在經濟提振方面，印度國內"應該將錢花在衛生福利方面"的輿論消失了，有助于帶動印度經濟和自信心的恢復；在國際政治方面，改變了西方媒體對印度航天一直唱衰的態度。

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