深度 | 印度航天究竟发展到什么地步了？（下篇）
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八、卫星
图源：“小火箭”微信公众号
1975年，也就是印度与美国合作的人类第一颗科普教育卫星升空后不到1年的时间，印度终于造出了第一颗国产卫星。
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该卫星是一个外接球直径为1.4米的26面体，总重360公斤。
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印度自己研制的第一颗人造地球卫星，以印度历史上著名的数学家和天文学家阿耶波多命名。
阿耶波多，生于公元476年，是年，北魏献文帝拓跋弘驾崩，西罗马帝国皇帝奥古斯都退位，西罗马帝国灭亡。
阿耶波多将圆周率算为3.1416，对正弦函数有过深刻思考。实际上，现在我们用Sin表示正弦，其根源可追溯到阿耶波多的梵语版的正弦表。
该表由阿拉伯人按音节转译为阿拉伯语后，辗转传播到欧洲。随后，欧洲人将阿拉伯正弦表（实际是印度的阿耶波多创制的）译为拉丁语，终于有了现在我们使用的Sin（x）符号。
阿耶波多对日心说和恒星运动有较为独到的贡献，计算过地球直径。
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印度人以阿耶波多来命名他们的首颗人造地球卫星，体现了对数学和天文学的向往和对古代科学家的敬意。
当然，一开始，印度首颗国产卫星的命名是有多个选择的。阿耶波多和迈特里，是其中2个呼声最高的。
迈特里，梵语，佛教术语，相当于咱们的慈悲中的慈。
慈，佛教术语，经常与“悲”并称为慈悲。
佛教认为，慈是不带取与贪等染污成分的爱，是慈、悲、喜、舍四无量心之一。
尼赫鲁的女儿英迪拉·甘地认为，印度今后还会发射很多卫星，本着容易形成系列和体现对科学的重视的精神，最终选了阿耶波多这个数学家的名字来命名卫星。
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不过，迈特里（也就是，慈）这个名字，也没有浪费。印度的南极科考站，后来取了这个名字。
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1975年4月19日，印度研制出的第一颗自己的人造地球卫星阿耶波多号借用了苏联的宇宙-3号运载火箭发射成功。
整个项目由印度卫星工程师拉玛钱德拉牵头。他是上世纪60年代，维克拉姆博士选取的5位赴美学习的博士之一。
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上图就是5位赴美学习的博士的合影，从左到右：
阿拉瓦穆丹、卡拉姆、穆尔蒂、拉玛钱德拉、依斯瓦拉德。
拉玛钱德拉是印度首颗国产卫星的总设计师，被誉为印度卫星之父。
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小火箭风格，印度首颗国产卫星的轨道参数：
近地点：563公里；
远地点：619公里；
轨道倾角：50.7°；
轨道周期：96.46分钟。
印度首颗卫星的预算为3亿卢比。不过，考虑到这是借用苏联的运载火箭发射，需要支付发射费用，因此并不算富裕。
为了节约开支，印度工程人员把刚刚建好不久的砖制卫生间重新打扫出来，改建成了卫星数据接收中心。
为什么印度工程师找苏联来帮忙发射卫星，而不是美国呢？
答：上世纪70年代，印度和苏联在尖端技术领域的合作要比和美国密切得多。
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到1970年，印度仿制的米格-21战斗机的国产化率达到了60%。（按小火箭数据库统计，印度总共仿制了657架米格-21战斗机。）
印度的航空工业从维护保养英国、法国和美国飞机开始萌芽，从按许可证生产和仿制苏联米格-21战斗机开始正式起步。
正值印巴战争期间，印度航空工业得到了飞速发展并越来越依赖苏联的武器援助和技术输出。
这期间，印度的米格-21战斗机击落了4架巴基斯坦空军的美制F-104战斗机。在这个堪称美制武器和苏制武器角斗场的战场上，印度米格-21战斗机的表现一度使得该款战斗机成为国际军火市场上的明星。
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按小火箭数据库的统计：
从1962年印度与苏联签订军火贸易订单到1991年苏联解体，这将近30年的时间里，印度几乎所有的导弹驱逐舰、履带式装甲车、地空导弹系统都直接购自苏联。
80%的坦克、95%的潜艇、70%的护卫舰、75%的战斗机、60%的攻击机也是通过各种形式的武器贸易合同从苏联得到的。
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印度在1975年，借助苏联的运载火箭，把国产卫星送入了预定轨道，确定掌握了如下能力：
卫星的本土设计和制造技术；
卫星在轨运营技术；
建设与维护卫星地面站的技术；
复杂大系统的协调和组织技术；
在轨太阳物理和X射线天文学空间科学实验技术。
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印度对他们自己研发的第一颗人造地球卫星阿耶波多的感情有多深？
看他们的货币就知道了。
印度的第一颗人造地球卫星曾经登上了印度发行的法定货币的背面。
印度在1976年到1997年这整整21年期间发行的2卢比货币的背面主题图案，就是正在近地轨道上绕地球飞行的阿耶波多卫星。
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苏联也在1984年，专门发行了相关的纪念邮票。
这邮票的设计很有美感：
左侧为苏联的国旗和运载火箭，右侧为印度的地面站。中间是在轨道上飞行的阿耶波多卫星。卫星的飞行轨迹像一条纽带，把苏联和印度连在了一起。
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纪念邮票的两面旗帜的顶部构成了经典的莫卧儿曲线。这种曲线是13世纪的宗教传入过程中，由建筑师带来的。
在印度，该曲线进行了本土化改进，有了更加饱满的鼓座和更加舒缓的穹顶。我们能够在著名的泰姬陵上发现很多这样的曼妙曲线。
作为优秀的火箭和卫星设计师，要注意时刻从生活中、建筑里和恋人的目光中发现人类的美丽和美好。
嗯，题外话多说了几句，接着回来聊印度航天。
印度的火箭和卫星技术，从赴美学习到购买美国的探空火箭，再到购买苏联的发射服务，先卫星后火箭，逐步开始走向那个圣杯：入轨。
九、入轨
印度人很快就发现，借别人家的火箭来发射自己的卫星终归不是办法。印度共和国是南亚印度次大陆上的一个国家，其土地面积排名全球第7大，人口数量全球第2多。
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印度东部有肥沃的平原，阿萨姆邦 有着世界上最大的平均年降水量；西部的拉贾斯坦邦则比较干旱，塔尔沙漠，这个岩石和沙尘混合的沙漠是世界第18大沙漠，同时也是亚洲第3大沙漠；南方热带雨林密布，而北方则临近终年积雪的喜马拉雅山脉。
因此，印度认为自己特别需要性能优异的遥感卫星来了解自己的国土资源和地理地貌。
而且，重点是遥感卫星的数量要足够。既然有这么大的需求，那么当然就会有足够的动力来开发一款特别适合用来发射遥感卫星的火箭了。
当然，道路是曲折的。
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1979年8月20日，印度工程师做了第一次尝试。
SLV运载火箭，名称简单明了：卫星运载器（Satellite Launch Vehicle）。
这是一款四级固体运载火箭。第一级和第二级的壳体，采用15块钢材焊接而成，第三级和第四级的壳体，采用复合材料。
（有关固体火箭发动机的壳体材料问题，详见小火箭的公号报告《撼天动地！小火箭聊固体火箭发动机的材料》。）
该火箭具备将40公斤载荷送入400公里高度近地轨道的能力。
准备充分，但首发还是失败了。
火箭点火315.2秒后，突然失控。
最终，卫星没能入轨，而是坠入了孟加拉湾。
经费一下子更紧张了：本来就只够发一枚的。
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再试！
为了节省费用，印度工程师没有用卡车来转运卫星，而是用了牛车。
当然，牛是非常讲究的通体白色的神圣的牛。
为了防雨，牛车后面准备了一个塑料布雨篷。
这带来了额外的好处：
传统的卫星转运箱是金属的，电磁波很难穿透。
而测试的时候，用的防护罩，是玻璃钢透波材料。
印度的神牛转运车辆，自带良好的电磁兼容性能，在转运同时就可以进行各种测试。
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公元1980年7月18日，SLV运载火箭遥2箭，成功发射，随后把一颗35公斤重的卫星送入预定轨道。
小火箭风格，印度国产第一枚运载火箭发射的卫星的轨道：
近地点：305.2公里；
远地点：919.1公里；
轨道倾角：44.71°。
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印度是继苏联、美国、法国、日本、中国、英国之后，第7个具备运载火箭发射能力的国家。
为满足大家的阅读体验，小火箭专门制成上表，列出了迄今为止，这颗叫做地球的蔚蓝星球上所有具备运载火箭发射能力的国家和组织。
（附注：俄罗斯和乌克兰同样具备运载火箭发射能力，但是这两个国家是苏联之后延，小火箭并未再次列入。）
我们欢迎人类从此多了一个并肩奋战的太空研究队友。
公元1992年2月11日，印度借苏联火箭发射的第一颗国产卫星阿耶波多号，在太空飞行17年后，再入地球稠密大气层，焚毁。
随后，印度以PSLV和GSLV两个系列的运载火箭，开启了火箭新旅程。
PSLV
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PSLV运载火箭，全称：极低轨道卫星运载火箭。
该系列运载火箭，高44米，芯级直径2.81米。
分为5个亚型，各自的首飞时间为：
PSLV-G：1993年9月20日；
PSLV-CA：2007年4月23日；
PSLV-XL：2008年10月22日；
PSLV-DL：2019年1月24日；
PSLV-QL：2019年4月1日。
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PSLV运载火箭的近地轨道运载能力为3.8吨，常用太阳同步轨道运载能力为1.75吨。
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都说PSLV的国际市场做得好，那么真实情况下，每一枚PSLV运载火箭的发射报价大概在什么量级呢？
答：小火箭专门致电垂询，并综合近期到2024年的几乎所有已签订单，给出PSLV运载火箭的平均发射报价：
2966.7万美元
相当于2.11亿元人民币。
按近地轨道的最大运载能力来算，单位成本为：7807美元/公斤；
按太阳同步轨道遥感卫星的最大运载能力来算，单位成本为：1.695万美元/公斤。
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有关该型运载火箭，小火箭在《小火箭对印度PSLV运载火箭的技术分析》中给出了详细分析和计算，本文不再赘述。
仅再说三个方面：
第一：PSLV运载火箭的芯一级采用了大型固体火箭发动机！
第二：PSLV运载火箭撑起了印度梦寐以求的遥感卫星和科学试验卫星产业；
第三：PSLV运载火箭成功把印度探测器送入了环绕火星的轨道。
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跟常见的较大推力的火箭不同，印度的这款PSLV火箭的芯一级居然采用了固体火箭发动机！这种独特的设计使得印度的这款火箭摆脱了对大推力液体火箭发动机技术的依赖。
嗯。。。也同时逼迫他们把固体火箭发动机的技术潜力几乎榨取到了他们能够达到的极限。
486吨的单台真空推力！109秒的工作时间！5段式燃烧设计！印度PSLV火箭的一级固体火箭发动机蛮拼的。
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正在吊装中的PSLV火箭的第二级。第二级全长12.8米，直径2.8米，总重46吨，采用一台Vikas液体火箭发动机，推进剂为偏二甲肼/四氧化二氮。
液体燃料储箱用铝合金制成，箱内用于防止燃料滚动的，还是沥青。
2015年9月20日07时01分14.331秒，“长征”6号运载火箭在太原卫星发射中心成功点火发射，将20颗卫星送入太空，成为中国航天新一代“长征”系列运载火箭的首发型号。
印度遥感卫星拍摄画面 图源：“小火箭”微信公众号
2016年6月22日03时56分，印度PSLV运载火箭在萨迪什·达万航天中心成功点火发射，也将20颗卫星（1颗Cartosat-2C + 3 颗小型卫星 + 2 颗微型卫星 +14 颗纳米卫星 = 20 颗卫星）送入太空，追平了中国在2015年创造的亚洲纪录。
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Cartosat-2，是印度国产商业遥感卫星，拥有优于1米的空间分辨率。
上图为该卫星拍摄的卡塔尔首都多哈的影像。摄于2017年6月26日，采用了多光谱技术。
小火箭风格，该卫星轨道参数：
近地点：632公里；
远地点：635公里；
轨道倾角：97.9243°；
轨道类型：太阳同步；
轨道周期：94.721分钟。
有关遥感卫星和侦察卫星的太阳同步轨道，详见小火箭的公号报告《小火箭聊太阳同步轨道》。
印度Cartosat-2商业遥感卫星拍摄的埃及农田。图源：“小火箭”微信公众号
该卫星总重682公斤，比美国洛克希德·马丁公司的伊克诺斯系列卫星的817公斤要轻不少。当然，印度遥感卫星优于1米的分辨率，其性能也不如洛克希德·马丁公司的0.82米分辨率。
但是，多年以来，印度的亚米级空间分辨率数据，长期依赖美国。在Cartosat系列升空之前，洛马每年能够从印度方面得到20亿卢比（平均相当于1.91亿元人民币）的采购费用。
早些年，印度和加拿大是美国洛克希德·马丁公司商业遥感卫星数据的大客户。考虑到洛马出品了世界上最强的侦察卫星锁眼系列，其遥感技术的水平是值得信赖的。当然，商业化的亚米级卫星数据，洛马卖起来也是不客气的：
每平方公里，20美元，不讲价。
目前，印度遥感卫星数据的报价是每平方公里1美元，后续还有继续降价的打算。
印度国产商业亚米级遥感卫星拍摄的印度某地。图源：“小火箭”微信公众号
小火箭为什么选这张照片？
答：原因有两个。
第一，上图这张照片代表了印度目前的商业航天用亚米级分辨率遥感卫星的标准技术水平。
第二，该卫星照片拍摄的，恰恰是印度特伦甘纳邦的法罗奥克纳加尔。印度的国家遥感卫星数据中心正是建立在这里。
小火箭风格，具体坐标为：
北纬 17.090917°N ；东经 78.218536°E
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公元2013年11月5日，协调世界时9点08分01秒，一枚印度PSLV运载火箭在萨迪什·达万航天中心01号工位点火成功。
公元2014年9月24日，协调世界时02点00分03秒，该火箭运载的火星轨道探测器成功进入火星轨道。
这标志着印度成为继苏联、美国和欧空局之后，第4个成功近距离探测火星的国家或组织。
同时，印度是世界上第一个首次尝试探测火星就取得圆满成功的国家。
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印度的火星探测项目，总投资为7380万美元，是人类迄今为止投入最少的大型深空探测项目。
这是什么概念？
答：好莱坞电影《火星救援》，总投资为1.08亿美元，票房收入6.3亿美元。
用这部电影的票房收入，可以连续进行8次印度的火星探测项目，剩下的钱，还能再购买1枚崭新的PSLV运载火箭，同时邀请整个PSLV运载火箭的研究人员观看一场IMAX电影。
上上图和上图为印度首颗火星探测器的奔火轨道设计情况和环绕火星轨道设计情况。图源：“小火箭”微信公众号
该探测器，设计在火星轨道运行寿命为6个月，实际上，今天仍然正常运行，已在火星轨道运行4年11月零8天。
按小火箭好友提供的数据，本文给出印度火星探测器最新拍摄的火星照片：
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以下是按印度首颗火星探测器的数据重构出来的火星精细图像和局部三维地形：
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PSLV运载火箭，自1993年9月首次发射以来，共进行了48次发射，其中45次圆满成功，成功率93.75%。
GSLV
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1990年，印度为获取地球同步轨道发射能力，挺进国际高轨通信卫星的发射市场，开启了GSLV运载火箭的项目。
该项目进展神速。
1992年，俄罗斯直接向印度输出了低温上面级火箭发动机的技术。
这使得印度终于拥有了发射同步轨道卫星不可或缺的在轨火箭发动机多次启动技术。
但是，印度与俄罗斯的技术合作引起了美国的注意。
1994年，美国给俄罗斯方面发出了最后通牒，要求立刻停止向印度输出低温上面级火箭发动机的技术。
俄罗斯在通牒发出当日停止了和印度的低温上面级火箭发动机的合作。
不过，之前已经交付给印度的7台液氢液氧火箭发动机不再召回，可供印度方面使用。
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2001年4月18日，经过漫长的研制阶段，GSLV运载火箭终于迎来了首次发射。
一开始，非常顺利。印度也宣布了发射成功。
但是，美国方面后来对这颗同步轨道卫星的轨道侦测结果显示，该卫星并未进入预定轨道。
或许是技术还没有吃透。从后期的弹道校核情况来看，俄罗斯的低温上面级并未赋予卫星足够的速度。
轨道打低了一点。
2003年5月8日，印度用第二枚GSLV运载火箭进行了再次尝试。
这一次，圆满成功。卫星在远地点点火后，慢慢变轨，最终定点在赤道上方3.6万公里，东经48°的地球同步轨道上。
从此，印度具备了自己的地球同步轨道卫星发射能力。
GSLV运载火箭的运载能力为GTO 2.70吨。
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GSLV运载火箭的横空出世，让发展中国家里又出现了一个具备地球同步轨道卫星发射能力的入轨服务提供方。
当时，有关中国和印度运载火箭的探讨是非常多的。
作为小火箭联合会的创始人，我在此给出我方结论：
第一，印度努力掌握了地球同步轨道的运载能力，令人敬佩，值得赞叹。
第二，目前，发展中国家里，性价比最好的高轨卫星运载火箭，依然是中国的长征3号系列火箭。
数据：印度GSLV运载火箭，地球同步转移轨道运载能力为2.7吨，在国际市场上的发射价格为4700万美元。
中国长征3号系列运载火箭，地球同步转移轨道运载能力为5.5吨，在国际市场上的发射价格为7000万美元。
长征3号系列运载火箭的运载能力超过GSLV运载火箭的2倍，单位发射成本则为后者的72.49%。
2019年4月20日，长征3号系列运载火箭进行了第100次发射。
而GSLV运载火箭，则因为俄罗斯火箭发动机的小波折，其Mk I型的发射次数较少。
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俄罗斯给印度交付了7台低温上面级液氢液氧火箭发动机。
算上用于试验和教学的1台，只有6台可供使用。
因此，GSLV运载火箭的早期型号，只生产了6枚。
这6枚火箭都发射了，其中第2次和第3次发射，圆满成功；其他还有2次发射失败和2次部分成功。
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后来，印度启动了低温上面级液氢液氧发动机的专项技术攻关。
发动机研制成功。
GSLV运载火箭之前的6枚采用俄罗斯进口上面级发动机的型号，被命名为GSLV Mk I型。
采用印度国产低温上面级的型号，为GSLV Mk II型。
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公元2010年4月15日，完全国产化的印度GSLV运载火箭Mk II型迎来了首次发射。
但是，在国产低温上面级发动机工作的关键时刻，涡轮泵出了状况，发射失败。
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2013年8月19日，经过3年多的研究和努力，GSLV运载火箭Mk II型遥2箭准备第2次尝试。
但在预计点火前1小时14分钟，发射架巡检人员突然发现有低温燃料的大量泄漏。
发射中止。
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到2014年1月5日，该火箭终于发射成功。
这次发射，卫星定点完美，创造了印度卫星入轨的精度纪录：误差仅39.8米。
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国产化的GSLV Mk II型运载火箭，迄今已进行了7次发射，除第一次发射因低温上面级发动机涡轮泵故障发射失败外，后续6次发射全部圆满成功。
其中，第4次发射为首次商业化高轨卫星发射。近地点入轨误差仅300米，远地点误差为80公里，优于0.2%。
至此，印度具备了可信的足以商业化的2.7吨量级的地球同步轨道运载能力。
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后来，有了GSLV Mk III型运载火箭。
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该火箭拥有2台巨大的直径达3.2米的固体助推器。
助推器高25米，内有207.1吨HTPB固体燃料（有关固体燃料，详见小火箭的公号报告《聊聊固体火箭发动机的推进剂》）。
这是世界上第三大的实际飞行过的固体火箭发动机，仅排在航天飞机和阿丽亚娜-5型运载火箭之后。
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2014年12月18日，GSLV Mk III型运载火箭进行了首次亚轨道飞行。
2017年6月5日，该火箭首次入轨飞行成功。
2018年11月14日，该火箭把一颗3.423吨重的国产高通量通信卫星送入地球同步轨道。
该火箭拥有4吨的地球同步转移轨道的运载能力，是目前印度高轨运载能力最强的火箭。
2019年7月22日，GSLV Mk III型运载火箭，发射了印度第2个月球探测器月船2号。
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这就是迄今为止该型火箭的全部4次发射，全部成功。
十、探月
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2008年10月22日，印度发射了他们的第一颗月球探测器月船1号。
2008年11月8日，月船1号成功进入绕月轨道。
这标志着耗资5600万美元的印度探月工程，取得了重大成功。
2008年11月14日，月船1号携带的月球撞击探测器在协调世界时14点36分，成功与轨道飞行器分离，以可控的方式直接命中月球南极。
该撞击器上有印度国旗。
这就使印度成为继承美国、苏联和日本之后，第4个将旗帜徽章放置在月球上的国家。
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这次成功的撞击，为人类确定月球上存在水，提供了重要的证据。
另外，绕月轨道飞行器还标定了当年的阿波罗15号和阿波罗17号登月飞船的遗址坐标。
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月船2号探月飞行器，创造了发展中国家现场观看发射人数的纪录。
近十万人现场观看，之前则有大量学生进入火箭和探月飞行器的总装测试车间进行参观。
实际上，月船2号的现场观看人数，仅次于美国2018年的重型猎鹰运载火箭的首次发射的10万人，为人类航天活动现场观看人数在阿波罗时代之后，第2次达到10万量级的。
印度月船2号探月飞行器回眸中的地球，摄于2019年8月3日。图源：“小火箭”微信公众号
印度月船2号探月飞行器的奔月轨道。图源：“小火箭”微信公众号
印度月船2号探测器拍摄的月球。摄于2019年8月23日。图源：“小火箭”微信公众号
十一、载人
印度是有本土宇航员的。
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1984年4月2日，印度宇航员拉克什乘坐苏联联盟T-11号载人飞船，进入礼炮7号空间站。
拉克什是迄今为止唯一一位印度国籍宇航员。他在礼炮7号空间站上工作和生活了7天21小时40分钟，进行了43项空间科学试验研究。
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印度开展了载人航天计划。
上图为印度国产载人飞船。
该飞船空重3.735吨，发射质量7.8吨，直径3.5米，高3.8米。
可支持3名宇航员在400公里轨道高度飞行7天。
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2014年12月18日，印度首艘载人飞船进行了无人再入亚轨道飞行和溅落试验，取得成功。
此次飞行，弹道最高点160公里，最大飞行速度5.3公里/秒。
在80公里高度，飞船主动进入热流试验。其防热瓦经历了1000℃的高温的考验。
在20分钟43秒的飞行中，飞船的再入控制和搜救程序得到了验证。
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印度首艘载人飞船，使用了直径31米的主降落伞，这是印度有史以来生产的最大的降落伞。
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2018年7月5日，印度首艘载人飞船的逃逸塔点火试验成功。
迄今为止，印度的载人飞船计划按预定节奏进行。
预计，2020年12月，进行第一次无人轨道飞行试验；
2021年7月，进行第二次无人轨道飞行试验；
2021年12月，进行首次载人轨道飞行试验。
十二、卫星
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2018年12月4日，法属圭亚那库鲁航天发射中心，一枚阿丽亚娜-5运载火箭将印度GSAT-11通信卫星送入预定轨道。
该卫星重5.854吨，是印度研制的最重的人造地球卫星。该星的研发成本，换算成人民币，为60亿元。
无论是从研发周期、投资规模还是技术先进程度来看，这都是印度在民用卫星领域的最大项目。
该卫星目前已经定点在东经74°的地球静止轨道上。
GSAT-11卫星拥有40个Ku/Ka波段转发器，能够为印度和其周边区域，尤其是周边岛屿区域提供高度网络服务。其总带宽高达16G/s。
今后，印度在电子商务、远程医疗等领域将会继续投入力量，与火箭和卫星产业产生更多交集。
小火箭另外注意到，在这颗卫星入轨之时，印度在21天之内，完成了2次运载火箭的发射和3颗卫星的运营任务，也在逐渐向高密度发射和高强度运营方向努力着。
十三、结束语
至此，咱们从上世纪40年代一直聊到了现在。
小火箭期待大家对印度航天的诞生和发展有了比较清晰的认识，对印度的PSLV和GSLV两大运载火箭系列有所了解，对印度的火星探测和月球探测项目有所掌握，对印度正在进行的载人航天努力有所关注。
印度航天，其转运设备，从自行车变成卡车：
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总装车间和设计中心，从教堂变成了真正的卫星和火箭厂房：
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文末，再次对维克拉姆博士表示敬意！
向全世界拥有太空梦想的好友们致敬！
全文结束，感谢大家！
本文转载自“小火箭”微信公众号2019年9月11日文章
原标题为《小火箭讲述印度航天发展史》
作者为邢强
本期编辑：张正阳 陈安澜
