登月和登火星为什么一定要用变推力火箭发动机，我国处于什么水平

我们就以印度的“月船三号”登月器为例来看看变推力火箭发动机性能对登月成功率的影响到底有多大。在正式开始讨论这个问题之前，我们先来看一组数据，是关于俄罗斯和印度探月器的一组数据。

印度此次发射“月船三号”的火箭

俄罗斯的“月球25号”重量为1.4吨。

印度四年前着陆月球失败的“月船二号”重量为3.8吨，总价值1.42亿美元。

印度即将尝试软着陆月面的“月船三号”重量为3.9吨，总价值为7500万美元。

由以上一组数据我们可以看到，月船三号的重量比月船二号更重了，造价却更低了，为什么会这样呢？明明月船三号由于预算不够，缩减了很多设备，而且主发动机数量也由原来的5台缩减到4台了，按说重量应该远远低于“月船二号”才对啊，为什么不但没有减轻重量，反而还更重了呢？

巨大的推进舱携带了足量的燃料

相信大家这时可能已经猜到了，主要就是因为月船三号此次携带了大量的燃料，比月船二号多得多的燃料。这多出来的100公斤重量，也在一定程度上导致了印度此次从发射之初就不那么顺利，例如连续出现轨道高度偏低的问题，每次升轨的高度都比“月船二号”要低一些。那么，为什么月船三号要带这么多的燃料呢？

印度月船三号轨道图

我们将时间拨回到4年前，看看月船二号是怎么坠毁的。印度官方的说法是软件故障导致的登月器坠毁，我个人认为，印度这次没有说真话，至少没有全部说真话。印度航天局公布的这个理由似乎站不住脚。在我看来，印度“月船二号”真正坠毁的原因是：由于主发动机推力过剩，变推力调节范围太窄，导致下降过慢，耗时太长，最终燃料不足导致姿态控制发动机先后出现熄火，探月器失去平衡后最终坠毁。为什么这么说呢？

月船二号悬停避障

要理解这个问题，我们先来看看探月器所使用的发动机有什么特殊的要求。我们知道，探月器大约有接近一半的重量都是燃料，可以说是一个名副其实的“煤气罐”，探测器在主火箭发动机的反推下，慢慢向月面下降高度，最终轻轻着陆月面。

悬停避障过程模拟

在这个过程中，探月器由于内部燃料在快速的消耗，其重量就会迅速减轻，此时如果其反推发动机是传统的固定推力发动机，就会出现这样的情况：随着探月器重量越来越轻，在推力不变的几台反推发动机的托举下，探月器下降的速度越来越慢。极端的情况下，例如：随着燃料的大量消耗，探测器的总重量迅速减轻，以至于反推火箭发动机的推力大于探测器本身的重量，这时甚至会出现探测器不但不继续降低高度了，反而开始上升了的意外情况。

为了避免这类情况的发生，一种新的火箭发动机应运而生，这便是“变推力火箭发动机”。

印度的800N变推力火箭发动机

这款发动机的重点就在于“推力可变”上，难度也在于这里，我们一起来看看印度的变推力发动的参数：

“月船二号”用了五台800N变推力火箭发动机，推力调节范围80%至100%

“月船三号”将主发动机由“月船二号”的五台减少到四台，其发动机参数与“月船二号”的完全一致。

印度月船三号上的四个800N变推力火箭发动机

作为对比，我们再来看一下俄罗斯和中国的类似变推力火箭发动机的参数：

俄罗斯此次“月球25号”使用了一台推力为4700N的变推力火箭发动机，推力可调节范围为83%至100%

俄罗斯月球25号上的4700N变推力火箭发动机

中国从嫦娥三号开始使用了一台推力为7500N的变推力火箭发动机，推力可调节范围为16%至110%，推力调节范围非常宽广，技术遥遥领先。无论是推力，还是可调节范围都实力碾压以上两位。

我国嫦娥系列登月器所使用的7500N变推力火箭发动机

推力不足可以用数量来凑，大不了多装几台发动机的事。但推力可调范围太窄，就麻烦大了，一旦控制不好着陆器的空中悬停时间和燃料消耗，就有可能出现由于悬停时间过长，造成燃料消耗过多，着陆器重量减轻过快，而重量减轻过快就会造成着陆器下降的速度更慢，甚至出现不降反升的尴尬。

月船二号着陆过程出现异常

此时变推力火箭发动机的作用就显示出来了，只需要控制火箭发动机减小推力，就可以解决这个问题。但问题也就出在了这里，印度的变推力火箭发动机的推力可调节范围太窄了，调到最小也还是有80%的推力，不能再继续降低了。在这种情况下，一旦着陆过程受阻，时间控制不够精确，不能按时着陆，就有可能造成随着燃料的大量消耗，着陆器重量迅速减轻，变推力火箭发动机又限于推力可调节区间太窄，无法大幅度调节推力以适应着陆器重量的持续减轻，最终造成着陆器下降速度进一步减慢，甚至陷入不降反升的窘境。印度此次果断将月船三号的火箭发动机从五台减少到四台，仅用四台发动机实现软着陆，应该也是在吸取四年前月船二号失败的教训，而做出的调整。同时多带大量的燃料也是为了以防万一，在着陆不顺利的情况下增加悬停时间。

我国嫦娥系列探月器稳健的软着陆过程

文章最后，我们一起来总结一下：印度此次“月船三号”减少了一台发动机，同时还减少了探测器的任务载荷数量，取而代之的是携带了大量的额外燃料，以至于总重量比四年前的“月船二号”还重了100公斤，这也在一定程度上使得此次“月船三号”的发射不太顺利，发射载荷远超火箭运力，先后出现轨道高度低于“月船二号”的情况。同时“月船三号”减少了一台主发动机，也可以避免上次“月船二号”所出现的发动机推力过剩，变推力调节范围太窄，无法有效降低发动机推力，以适应着陆器因燃料大量消耗带来的重量减轻，以至于使得着陆器下降太慢，迟迟不能着陆，最终导致燃料消耗殆尽姿态发动机先后熄火，着陆器倾覆，以脸先着地的方式结束了自己的使命。

印度“月船二号”以脸着地，硬着陆月面，碎片溅落一地

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