三年攻堅(jiān)路 六大新突破——“嫦娥二號”任務(wù)研制攻關(guān)紀(jì)實(shí)

□ 本刊記者 許 玲

2007年11月，“嫦娥一號”衛(wèi)星成功傳回我國第一幅月球影像圖，標(biāo)志著我國探月工程一期——首次月球探測工程圓滿成功。時(shí)隔三年，我國探月工程二期任務(wù)拉開大幕。

2010年11月，探月工程二期任務(wù)的先導(dǎo)星——“嫦娥二號”衛(wèi)星成功傳回分辨率優(yōu)于1.5米的月球虹灣局部影像圖，清晰度高于預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，標(biāo)志著“嫦娥二號”任務(wù)圓滿成功，我國探月工程二期取得階段性勝利！

兩幅圖片，兩次跨越。回首三年攻堅(jiān)路，我們攻克了一道又一道技術(shù)難關(guān)，取得了一項(xiàng)又一項(xiàng)技術(shù)突破。實(shí)踐證明，中國航天有實(shí)力、有能力依靠自主創(chuàng)新，在邁向深空探測的征途上，不斷續(xù)寫新的輝煌！

從“繞”起步 為“落”而生

“嫦娥”開啟飛天之路，是從2004年雪花紛飛、爆竹聲聲的農(nóng)歷大年初二開始的。這一天，國務(wù)院正式批準(zhǔn)了我國繞月探測工程立項(xiàng)報(bào)告。

我國航天探測器第一次飛出地球，奔向太空，其難度之大、風(fēng)險(xiǎn)之高難以預(yù)測。因此，在“嫦娥一號”正式立項(xiàng)不久，為降低繞月探測工程的風(fēng)險(xiǎn)，保證萬無一失，國家決定為一期工程增加一顆備份星，同時(shí)明確提出，“首發(fā)任務(wù)成功后，對備份產(chǎn)品進(jìn)行一定技術(shù)改進(jìn)即可進(jìn)行第二次發(fā)射，實(shí)現(xiàn)技術(shù)上新的突破，并納入月球探測二期工程計(jì)劃安排。”

這是一個(gè)既穩(wěn)妥又高瞻遠(yuǎn)矚的戰(zhàn)略性決策。按照國家部署，在研制發(fā)射“嫦娥一號”衛(wèi)星的過程中，相關(guān)參研單位同時(shí)完成了備份星的研制任務(wù)。“繞月探測工程成功后，工程領(lǐng)導(dǎo)小組于2007年12月即組織開展備份星適用方案的論證。國防科工局成立后，繼續(xù)組織專家進(jìn)行了深化論證。綜合考慮工程一期取得的成果、二期工程的技術(shù)難度、備份產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)和工程相關(guān)系統(tǒng)的條件，論證專家組認(rèn)為，將備份星進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，為二期工程驗(yàn)證新技術(shù)、降低二期工程的實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)，更有價(jià)值。” 探月工程總指揮、國防科工局局長陳求發(fā)告訴記者。

2008年2月15日，國家批準(zhǔn)探月工程二期立項(xiàng)，“落月探測”研制工作正式啟動(dòng)。相比一期繞月探測，二期落月探測要實(shí)現(xiàn)月面軟著陸和月面巡察，任務(wù)更艱巨，技術(shù)難度更大，風(fēng)險(xiǎn)更高。4個(gè)月后，國防科工局召開專題會(huì)議，決定將一期工程的備份星確定為二期工程的先導(dǎo)星，驗(yàn)證二期工程部分關(guān)鍵技術(shù)，并依據(jù)發(fā)射順序，命名為“嫦娥二號”衛(wèi)星，納入二期工程管理，還將該任務(wù)命名為“嫦娥二號”任務(wù)，向國務(wù)院申請立項(xiàng)。10月16日，國務(wù)院批準(zhǔn)實(shí)施“嫦娥二號”任務(wù)。至此，從“繞”起步、為“落”而生的“嫦娥二號”被賦予新的歷史使命。

從2004年探月工程立項(xiàng)，到2007年成功發(fā)射“嫦娥一號”衛(wèi)星，再到2010年“嫦娥二號”任務(wù)取得圓滿成功，我國月球探測事業(yè)正嚴(yán)格按照“三步走”的戰(zhàn)略，環(huán)環(huán)緊扣，步步為營，扎扎實(shí)實(shí)地向著理想的深空探測目標(biāo)邁進(jìn)！

全力攻堅(jiān) 創(chuàng)新突破

盡管有了“嫦娥一號”研發(fā)成功的經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)，但“嫦娥二號”要比“嫦娥一號”“飛得更快”——5天到達(dá)目的地；“靠得更近”——在距月面100公里的軌道工作；“看得更清”——擇機(jī)降入100×15公里軌道對特定地區(qū)精準(zhǔn)成像，新的使命決定了“嫦娥二號”任務(wù)要解決多項(xiàng)技術(shù)難題，探月工程總設(shè)計(jì)師吳偉仁介紹說。

作為探月二期工程的“開路先鋒”，“嫦娥二號”衛(wèi)星肩負(fù)的主要使命就是驗(yàn)證與探測。驗(yàn)證直接入軌技術(shù)、月球捕獲技術(shù)、X頻段測控技術(shù)、軌道機(jī)動(dòng)技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和高分辨率成像技術(shù)等六大關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)要在100公里環(huán)月軌道上對整個(gè)月球進(jìn)行更全面的探測，尤其要對“嫦娥三號”備選著陸區(qū)進(jìn)行更精確的探測，為“嫦娥三號”安全著陸做準(zhǔn)備。需要驗(yàn)證的六大關(guān)鍵技術(shù)，就像橫亙在科研人員面前的一個(gè)個(gè)關(guān)卡，而要突破這些關(guān)卡，唯有自主創(chuàng)新。

從2008年“嫦娥二號”任務(wù)各項(xiàng)研制工作全面啟動(dòng)，至2009年任務(wù)全面開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、產(chǎn)品研制、系統(tǒng)集成和試驗(yàn)驗(yàn)證，在工程領(lǐng)導(dǎo)小組的組織指揮下，行政指揮線和技術(shù)指揮線像兩列火車頭，并駕齊驅(qū)，帶領(lǐng)五大系統(tǒng)各路人馬奮勇向前。經(jīng)過兩年的努力，“嫦娥二號”任務(wù)研制團(tuán)隊(duì)?wèi){著一絲不茍、精益求精，團(tuán)結(jié)協(xié)作、相互配合，嚴(yán)慎細(xì)實(shí)、刻苦攻關(guān)的工作作風(fēng)，一道道技術(shù)瓶頸得以突破。

“嫦娥二號”任務(wù)要闖的第一道難關(guān)是運(yùn)載火箭將衛(wèi)星直接送入地月轉(zhuǎn)移軌道，以更快捷的方式直奔月宮。“長三丙”火箭主任設(shè)計(jì)師李聃說：“解決這一難題的關(guān)鍵是地月轉(zhuǎn)移軌道的軌道設(shè)計(jì)，而這一設(shè)計(jì)受到火箭一級落區(qū)、測控網(wǎng)覆蓋范圍和地、月、日三者之間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律等多種因素的制約。”

軌道主管設(shè)計(jì)師周天帥解釋說，“按照軌道設(shè)計(jì)的要求，必須把一級火箭的落區(qū)嚴(yán)格限定在特定區(qū)域內(nèi)，沒有任何“自由發(fā)揮”的余地；飛行軌道必須處于現(xiàn)有測控網(wǎng)覆蓋的范圍內(nèi)，不能做任何“出格”的動(dòng)作；最后還要考慮必須嚴(yán)密考慮地、月、日三者之間的相互關(guān)系和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以求達(dá)到一個(gè)最佳的綜合平衡點(diǎn)。”

面對如此苛刻的要求，李聃和他的同事在繼承以往彈道設(shè)計(jì)理論和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，先后查閱和研究了上百種相關(guān)文獻(xiàn)，推導(dǎo)了數(shù)十頁彈道設(shè)計(jì)模型，編寫了近萬行軟件和幾千條彈道仿真計(jì)算優(yōu)化設(shè)計(jì)。他們精確地計(jì)算并選定了運(yùn)載火箭的變軌時(shí)機(jī)；又通過大量的模擬試驗(yàn)，對入軌精度和推進(jìn)劑剩余量進(jìn)行了穩(wěn)妥可靠的分析；最終經(jīng)過來自全國各地專家的反復(fù)核算，認(rèn)定這條奔月軌道設(shè)計(jì)合理而完美。

10月1日晚19時(shí)25分，當(dāng)“嫦娥二號”衛(wèi)星準(zhǔn)確進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道的那一刻，軌道設(shè)計(jì)師們?yōu)榇烁冻龅男量嗯c汗水淹沒在歡呼的掌聲和激動(dòng)的淚水中。“這是長征火箭的又一次重大技術(shù)突破。”“長三甲”系列火箭總指揮岑拯自豪地說，“這個(gè)技術(shù)的掌握，對我國探月工程后繼任務(wù)的順利實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，甚至對未來火星探測、金星探測都具有積極意義。”

100公里環(huán)月圓軌道是“嫦娥二號”衛(wèi)星的“使命軌道”，驗(yàn)證并實(shí)現(xiàn)這一軌道捕獲技術(shù)也是此次“嫦娥二號”任務(wù)的關(guān)鍵之一。“這個(gè)軌道有兩個(gè)突出特點(diǎn)：一是史無前例的近。‘嫦娥一號’是200公里軌道，這次只有100公里；二是周期前所未有的短。三次制動(dòng)后‘嫦娥二號’衛(wèi)星繞月一圈的時(shí)間大概是118分鐘。”“但有了前兩次制動(dòng)的成功，第三次制動(dòng)成功的把握更大!” 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所的主任設(shè)計(jì)師張波自信地說。10月9日，北京航天飛行控制中心向“嫦娥二號”衛(wèi)星發(fā)出指令，進(jìn)行第三次近月制動(dòng)，控制衛(wèi)星成功進(jìn)入100公里環(huán)月圓軌道。

“嫦娥二號”衛(wèi)星在100公里的環(huán)月圓軌道上調(diào)整并運(yùn)行一段時(shí)間后，將在月球背面自主降軌，進(jìn)入一個(gè)近月點(diǎn)15公里、遠(yuǎn)月點(diǎn)100公里的橢圓軌道，飛到月球正面的虹灣進(jìn)行優(yōu)于1.5米分辨率的成像。降軌探測是對“嫦娥二號”衛(wèi)星最大的一次考驗(yàn)。據(jù)“嫦娥二號”衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師黃江川介紹，衛(wèi)星自主控制降軌的時(shí)機(jī)是關(guān)鍵，因?yàn)樽冘墪r(shí)機(jī)決定了之后的近月點(diǎn)位置，如果時(shí)機(jī)不對，衛(wèi)星在15公里的近月點(diǎn)位置和備選著陸區(qū)會(huì)有誤差。實(shí)踐證明，衛(wèi)星不僅把握住了時(shí)機(jī)，而且準(zhǔn)確無誤地降到了備選位置。

“嫦娥二號”還有一個(gè)重要突破就是實(shí)現(xiàn)精確探測，獲得分辨率小于10米，甚至近月點(diǎn)15公里時(shí)達(dá)到分辨率15米以上的全球最為清晰的月面圖像。因此要重新研制高分辨率T DIC C D相機(jī)和大容量存儲(chǔ)器，并對相關(guān)有效載荷進(jìn)行針對性改進(jìn)。“由于這一任務(wù)確定的時(shí)間比較晚，真正進(jìn)入研制只有一年時(shí)間。在一年之內(nèi)，既要重新設(shè)計(jì)，又要搞出初樣，還要生產(chǎn)和驗(yàn)證正樣，三個(gè)階段一個(gè)步也不能少，其時(shí)間之緊，難度之大從來沒有過。”衛(wèi)星系統(tǒng)有效載荷總指揮吳季向記者介紹。

曾經(jīng)為“嫦娥一號”衛(wèi)星研制過“火眼金睛”的中國科學(xué)院西安光學(xué)機(jī)械研究所，通過競標(biāo)承擔(dān)起新研制CCD相機(jī)的任務(wù)。研究所科研人員全力以赴，晝夜突擊，設(shè)計(jì)階段就突破了提高分辨率的各種技術(shù)難題，把住了質(zhì)量源頭；初樣階段做好了全面系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了在空間飛行環(huán)境中的承受能力；正樣階段則千方百計(jì)抓好了質(zhì)量控制，最終高水平、高質(zhì)量、高效率地完成研制任務(wù)。

由于“嫦娥二號”衛(wèi)星成像精度高，數(shù)據(jù)量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過“嫦娥一號”，為此，有效載荷分系統(tǒng)還組織重新研制出了大容量存儲(chǔ)器，將存儲(chǔ)量提高2.5倍，壓縮速率提高80倍，數(shù)據(jù)傳輸能力也翻番增長，由原來的3兆的傳輸碼速率提高到6-12兆，達(dá)到完成驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的能力，為后繼探月任務(wù)提供了保障。

如果說“嫦娥二號”衛(wèi)星是風(fēng)箏，測控系統(tǒng)就是一根無形的牽引線。這根線是衛(wèi)星與地球聯(lián)系的惟一紐帶，分別由西昌衛(wèi)星發(fā)射中心、北京航天飛行控制中心、西安衛(wèi)星測控中心以及3條測量船、6個(gè)位于國內(nèi)的測控站、1個(gè)建于國外的測控站、4個(gè)天文觀測站及1個(gè)國際聯(lián)網(wǎng)測控站組成，它們彼此之間形成一個(gè)有機(jī)的系統(tǒng)整體，通過與箭載和星載測控合作目標(biāo)的配合，共同完成對火箭和衛(wèi)星的各項(xiàng)測控任務(wù)。

“嫦娥二號”測控系統(tǒng)首次驗(yàn)證了X頻段深空測控技術(shù)。測控系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師錢衛(wèi)平說，“這一技術(shù)是國際深空測控技術(shù)的發(fā)展趨勢，在我國尚屬首次應(yīng)用。與現(xiàn)在使用的但日益擁擠的S頻段相比，X頻段測控資源更豐富；X頻段無線電傳輸信號頻率更高，軌道測量精度會(huì)更精細(xì)；也易于實(shí)現(xiàn)星載測控設(shè)備的小型化，從而減輕重量，有利于航天器飛得更遠(yuǎn)。”X頻段測控技術(shù)經(jīng)“嫦娥二號”驗(yàn)證后，將未來深空探測中發(fā)揮重要作用。

在全體科研人員的努力下，經(jīng)過1000多個(gè)日日夜夜的拼搏奮戰(zhàn)，工程目標(biāo)設(shè)定的地月轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射技術(shù)、月球捕獲技術(shù)、軌道機(jī)動(dòng)技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、高分辨率成像技術(shù)和X頻段測控技術(shù)等六大創(chuàng)新與突破一一實(shí)現(xiàn)，“嫦娥二號”為當(dāng)好“開路先鋒”做好了充分準(zhǔn)備。

精益求精 確保成功

兩年的研制時(shí)間很快過去，年歷已翻到2010年。這是決戰(zhàn)之年，“嫦娥二號”任務(wù)開始進(jìn)行系統(tǒng)測試驗(yàn)證、質(zhì)量復(fù)查和飛控技術(shù)研究，為進(jìn)入發(fā)射階段做好最后準(zhǔn)備。而越到最后的沖刺，越能體現(xiàn)參研人員精益求精的科學(xué)精神。

工程總指揮陳求發(fā)告訴記者，五大系統(tǒng)全體參研參試人員，在任務(wù)研制過程中，始終堅(jiān)持“保進(jìn)度、保質(zhì)量、保安全、保成功”的“四保”原則，“用工程的圓滿成功，向祖國和人民匯報(bào)”是全體參研人員的共同心聲！

據(jù)記者了解，截止2010年6月底，工程總體組織完成“嫦娥二號”任務(wù)6項(xiàng)系統(tǒng)間大型試驗(yàn)、7項(xiàng)系統(tǒng)級試驗(yàn)和5項(xiàng)分系統(tǒng)級試驗(yàn)。“僅總裝集成測試一項(xiàng)，‘嫦娥二號’衛(wèi)星在一年半的時(shí)間里就測試了2000個(gè)小時(shí)。”衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師黃江川說，所有測試和驗(yàn)證的目的都是為了保證飛行任務(wù)的圓滿成功。

探月是高風(fēng)險(xiǎn)的航天活動(dòng)。如何規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)確保成功，探月工程副總設(shè)計(jì)師于登云說：“我們能做的事情是盡可能把工作做細(xì)，必須精細(xì)、精細(xì)、再精細(xì)，要讓全體科研人員插上想象的翅膀，充分地去想，把各種可能盡量想全，做足預(yù)案。不怕做不到，就怕想不到，這是航天的經(jīng)驗(yàn)之談。”

為確保萬無一失，對于每個(gè)可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，工程各系統(tǒng)都做好縝密的故障應(yīng)對措施，制定完備的預(yù)案。衛(wèi)星和火箭系統(tǒng)最終形成111項(xiàng)應(yīng)急處理預(yù)案；測控系統(tǒng)準(zhǔn)備了108個(gè)應(yīng)急預(yù)案，制定了153種故障處理對策；發(fā)射場系統(tǒng)則梳理完善了需重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵設(shè)備和應(yīng)急預(yù)案，預(yù)想到了防范多種意外災(zāi)害，確保每一項(xiàng)設(shè)備都“健康上崗”。

“嫦娥二號”任務(wù)的主角是“嫦娥二號”衛(wèi)星，在臨近決戰(zhàn)的緊要關(guān)頭，人們的目光自然集中到衛(wèi)星系統(tǒng)。

衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮張廷介紹，“嫦娥二號”衛(wèi)星研制遇到最大的困難就是“狀態(tài)多，驗(yàn)證難，無備份，隊(duì)伍新”。在衛(wèi)星眾多硬件中，繼承“嫦娥一號”的占85%，進(jìn)行適應(yīng)性修改的占10%，新研制的有5%，三種不同類型的產(chǎn)品同時(shí)上星，給狀態(tài)控制增加了難度；由于技術(shù)狀態(tài)的復(fù)雜，給地面驗(yàn)證也增加了困難；而“嫦娥二號”本身就是“嫦娥一號”的備份產(chǎn)品，不可能再有備份，出現(xiàn)問題無法替換；更重要的是科研隊(duì)伍新，由于“嫦娥二號”與“嫦娥三號”幾乎同時(shí)進(jìn)行研制，相關(guān)科研人員要一分為二，不少年輕的科研人員走上新的崗位，承擔(dān)了比“嫦娥一號”更為重要的任務(wù)。這支隊(duì)伍平均年齡36歲，基層一線科研人員平均年齡還不到30歲。

但越是困難的挑戰(zhàn)，越能激發(fā)航天人昂揚(yáng)的斗志。在張廷新眼里，早已把“嫦娥二號”衛(wèi)星當(dāng)寶貝一樣對待，盡力精心呵護(hù)，不容半點(diǎn)閃失。根據(jù)“嫦娥一號”的成功經(jīng)驗(yàn)，“嫦娥二號”也按照三級負(fù)責(zé)制組織開展了以“查隱患、補(bǔ)缺陷、防差錯(cuò)、保安全”為主題的質(zhì)量復(fù)查活動(dòng)。

第一是抓技術(shù)狀態(tài)控制。”張廷新說，“嫦娥二號”衛(wèi)星從2009年2月正樣評審之后，對狀態(tài)極限的控制十分嚴(yán)格，如果要改動(dòng)哪些技術(shù)狀態(tài)，一定要嚴(yán)格審批。“誰要改什么就改什么，整個(gè)衛(wèi)星的質(zhì)量和狀態(tài)就沒辦法控制了。”

“第二是產(chǎn)品研制過程的控制。從設(shè)計(jì)評審、生產(chǎn)研制到進(jìn)行試驗(yàn)都要嚴(yán)格把關(guān)，都要嚴(yán)格按照質(zhì)量控制過程來做。”張廷新介紹，在質(zhì)量控制過程中，一是堅(jiān)持質(zhì)量信息快報(bào)制度，出了問題必須在兩個(gè)小時(shí)之內(nèi)上報(bào)；二是堅(jiān)持?jǐn)?shù)據(jù)包制度，數(shù)據(jù)包內(nèi)包含各種原始記錄，在質(zhì)量驗(yàn)收把關(guān)時(shí)主要看數(shù)據(jù)包；三是進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證試驗(yàn)；四是實(shí)行嚴(yán)格的歸零和舉一反三；五是認(rèn)真地進(jìn)行質(zhì)量復(fù)查，對關(guān)鍵單機(jī)和關(guān)鍵分系統(tǒng)反復(fù)進(jìn)行再分析、再驗(yàn)證、再確認(rèn)，找隱患、識(shí)風(fēng)險(xiǎn)、防差錯(cuò)、保安全。

“最后，在衛(wèi)星進(jìn)入發(fā)射現(xiàn)場進(jìn)行操作時(shí)，我們還提出：要操作，先確認(rèn)；要加電，先查設(shè)；要測試，看狀態(tài)；判數(shù)據(jù)，查歷史。所有采取的這些措施都是為了保證進(jìn)度和質(zhì)量。” 張廷新堅(jiān)定地說。

“嫦娥二號”GNC分系統(tǒng)是衛(wèi)星控制姿態(tài)穩(wěn)定的關(guān)鍵。為提高穩(wěn)定度，相關(guān)人員將該系統(tǒng)重要部件——紫外敏感器的軟件進(jìn)行了優(yōu)化。但在一次整星電測中，紫外敏感器某線路通信功能出現(xiàn)異常。副總師王曉磊和研制人員一起對故障進(jìn)行分析排查，發(fā)現(xiàn)線路盒內(nèi)一根長約6mm的金屬多余物使芯片管腳間發(fā)生短路，引起軟件運(yùn)行混亂。為了徹底解決這一問題，他們一頭扎進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，開始涉及上百種可能的排除試驗(yàn)。第一種組合，故障現(xiàn)象不對，繼續(xù)！第二種組合，故障現(xiàn)象也不對，繼續(xù)！等到測試完所有項(xiàng)目并成功復(fù)現(xiàn)了整星測試時(shí)的故障時(shí)，時(shí)間已經(jīng)過了好幾天了。

不放過一個(gè)微小失誤，不遺留一個(gè)故障隱患，一步一個(gè)腳印，“嫦娥二號”就是這樣一步步走向成功，走向深空探測的最前沿！