嫦娥二號(hào)衛(wèi)星遠(yuǎn)征150萬(wàn)公里外深空紀(jì)實(shí)

嫦娥二號(hào)衛(wèi)星遠(yuǎn)征150萬(wàn)公里外深空紀(jì)實(shí)

9月15日，嫦娥二號(hào)衛(wèi)星成功傳下第一批試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

此前，8月25日23時(shí)27分，經(jīng)過(guò)77天太空飛行，嫦娥二號(hào)衛(wèi)星準(zhǔn)確進(jìn)入其拓展任務(wù)的目的地——距地球150萬(wàn)公里的日—地引力平衡點(diǎn)，即“第二拉格朗日點(diǎn)”（L2點(diǎn)）環(huán)繞軌道，并于9月1日與太陽(yáng)、地球、L2點(diǎn)處在同一平面內(nèi)，開(kāi)展為期一年多的探測(cè)活動(dòng)。

世界上第一次從月球軌道出發(fā)探測(cè)L2點(diǎn)的航天活動(dòng)；第一次實(shí)現(xiàn)我國(guó)對(duì)月球以外的太空進(jìn)行探測(cè)；我國(guó)第一次開(kāi)展L2點(diǎn)轉(zhuǎn)移軌道和使命軌道的設(shè)計(jì)和控制，并實(shí)現(xiàn)150萬(wàn)公里遠(yuǎn)距離測(cè)控通信……當(dāng)眾多榮譽(yù)涌向嫦娥二號(hào)衛(wèi)星時(shí)，科技日?qǐng)?bào)記者來(lái)到嫦娥的“娘家”——中國(guó)空間技術(shù)研究院，探尋這個(gè)神秘的源頭。

打造“天梯”：從40萬(wàn)公里到150萬(wàn)公里的跨越

對(duì)于頭頂?shù)倪@輪皓月，人類(lèi)從未停止過(guò)暢想。

2008年6月25日，有關(guān)方面確定將嫦娥一號(hào)備份星進(jìn)行改進(jìn)，作為二期工程技術(shù)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，將該任務(wù)命名為“嫦娥二號(hào)任務(wù)”。10月16日，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)實(shí)施嫦娥二號(hào)任務(wù)。至此，從“繞”起步、為“落”而生的嫦娥二號(hào)衛(wèi)星被賦予新的歷史使命。根據(jù)我國(guó)探月工程“繞、落、回”三步走的規(guī)劃，嫦娥二號(hào)衛(wèi)星實(shí)際上相當(dāng)于“繞月”與“落月”的橋梁和紐帶，主要任務(wù)是深化月球探測(cè)的成果，同時(shí)驗(yàn)證將來(lái)要實(shí)現(xiàn)月球軟著陸的部分技術(shù)，降低軟著陸的風(fēng)險(xiǎn)。今年4月1日，半年設(shè)計(jì)壽命期滿(mǎn)，嫦娥二號(hào)衛(wèi)星不僅全面實(shí)現(xiàn)了既定的各項(xiàng)工程目標(biāo)和科學(xué)探測(cè)任務(wù)，而且衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)良好，剩余燃料較充足，全系統(tǒng)狀態(tài)正常穩(wěn)定。

有關(guān)嫦娥二號(hào)衛(wèi)星的“命運(yùn)”有了多種猜想。

為了最大限度發(fā)揮衛(wèi)星的作用，深化和拓展月球及深空探測(cè)成果，綜合權(quán)衡衛(wèi)星狀態(tài)、燃料剩余、測(cè)控通信能力、技術(shù)試驗(yàn)與科學(xué)探測(cè)價(jià)值等，衛(wèi)星、測(cè)控和地面應(yīng)用三大系統(tǒng)在國(guó)防科工局的統(tǒng)一組織下，細(xì)致研究了燃料利用、試驗(yàn)時(shí)機(jī)、月食應(yīng)對(duì)等因素，最終在五大方案中選擇了飛往L2點(diǎn)和開(kāi)展3項(xiàng)拓展試驗(yàn)。150萬(wàn)公里以外的L2點(diǎn)，中國(guó)的衛(wèi)星從未造訪(fǎng)過(guò)，最突出的難點(diǎn)之一就是燃料，只有軌道設(shè)計(jì)精準(zhǔn)、測(cè)定軌道準(zhǔn)確、飛行控制精確，才能節(jié)省大量燃料。“對(duì)于月球探測(cè)和深空探測(cè)的航天器來(lái)說(shuō)，其上天成本甚至是幾倍于同重量的黃金。”在嫦娥二號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師黃江川看來(lái)，我國(guó)要想實(shí)現(xiàn)更大重量或者更遠(yuǎn)距離的空間探測(cè)，必須最充分地利用火箭推力，減少衛(wèi)星燃料的消耗。這其中完美的軌道設(shè)計(jì)功不可沒(méi)。

早在嫦娥二號(hào)衛(wèi)星任務(wù)實(shí)施前，以黃江川為代表的研制隊(duì)伍就將目光投向更遠(yuǎn)的深空。衛(wèi)星與火箭兩大系統(tǒng)的有關(guān)專(zhuān)家互相配合，攜手合作。經(jīng)過(guò)反復(fù)核算，最終采用地月轉(zhuǎn)移軌道，為“嫦娥奔月”打造了一架快捷方便的“直達(dá)天梯”。相比于嫦娥一號(hào)衛(wèi)星，嫦娥二號(hào)衛(wèi)星的奔月時(shí)間縮短了近一半，大大節(jié)省了衛(wèi)星燃料，為嫦娥二號(hào)衛(wèi)星完美地完成從40萬(wàn)公里到150萬(wàn)公里的跨越奠定了基礎(chǔ)。

低能耗軌道：解決“斷炊”之憂(yōu)

嫦娥二號(hào)衛(wèi)星飛往L2點(diǎn)是我國(guó)航天領(lǐng)域的又一重大跨越。從工程技術(shù)方面來(lái)講，從月球軌道飛往L2點(diǎn)，標(biāo)志著我國(guó)在軌道設(shè)計(jì)、飛行控制、測(cè)控、通信方面的技術(shù)有了新突破，成為繼美國(guó)、歐空局之后第三個(gè)在這點(diǎn)上進(jìn)行空間探測(cè)的國(guó)家或組織，也是我國(guó)第一次進(jìn)行一次發(fā)射、執(zhí)行多個(gè)任務(wù)、開(kāi)展多個(gè)目標(biāo)探測(cè)的嘗試。

為使嫦娥二號(hào)衛(wèi)星順利到達(dá)L2點(diǎn)，衛(wèi)星設(shè)計(jì)人員精心進(jìn)行了軌道設(shè)計(jì)。

“從4月1日嫦娥二號(hào)衛(wèi)星圓滿(mǎn)完成既定任務(wù)到6月9日飛離月球、奔向深空，只有短短兩個(gè)多月時(shí)間，要設(shè)計(jì)出全新的軌道方案，這是個(gè)很大的挑戰(zhàn)。”中國(guó)空間技術(shù)研究院嫦娥二號(hào)衛(wèi)星主任設(shè)計(jì)師黃昊說(shuō)，原因主要是軌道設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度大大提高。這是個(gè)復(fù)雜的多天體引力場(chǎng)軌道設(shè)計(jì)。對(duì)于地球衛(wèi)星而言，軌道設(shè)計(jì)時(shí)只涉及一個(gè)引力場(chǎng)，即地球；月球探測(cè)衛(wèi)星的軌道，則要考慮地球和月球兩個(gè)引力場(chǎng)，以及其間的拼接過(guò)程。這次軌道設(shè)計(jì)，除地、月外，還必須兼顧考慮太陽(yáng)的引力場(chǎng)。同時(shí)，L2點(diǎn)非常敏感，對(duì)衛(wèi)星入軌時(shí)的位置、速度要求非常高，稍有偏差就會(huì)出現(xiàn)失誤，導(dǎo)致衛(wèi)星飛向更遠(yuǎn)的深空，或是飛回地球。此外，這是個(gè)不穩(wěn)定點(diǎn)，在環(huán)繞飛行階段，衛(wèi)星只要受到任何一點(diǎn)擾動(dòng)都可能會(huì)漂離，這也給軌道設(shè)計(jì)精度提出了更高要求，同時(shí)也可能面臨多次軌道修正。因此整個(gè)飛行軌道都必須經(jīng)過(guò)精確的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。在兼顧日、地、月三大引力場(chǎng)，并考慮到衛(wèi)星所剩燃料有限等因素，衛(wèi)星設(shè)計(jì)人員最終選擇了一條消耗能力最低的軌道。軌道設(shè)計(jì)好了，精準(zhǔn)的飛行控制也很重要。在奔赴L2點(diǎn)的漫漫旅途中，只要有一點(diǎn)控制不好，哪怕產(chǎn)生每秒一兩米的誤差，嫦娥二號(hào)衛(wèi)星的命運(yùn)就會(huì)大大改變：或者出不了月球，或者飛往地球，或者飛往更遠(yuǎn)的深空。

GNC(制導(dǎo)導(dǎo)航與控制)分系統(tǒng)副總師王曉磊帶領(lǐng)著年輕的設(shè)計(jì)師們憑借著扎實(shí)的技術(shù)功底和豐厚的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，漂亮地完成了這一高難度動(dòng)作。就這樣，嫦娥二號(hào)衛(wèi)星解決了“斷炊”之憂(yōu)，為后續(xù)工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和控制措施：有力保證產(chǎn)品質(zhì)量

雖然嫦娥二號(hào)衛(wèi)星是以嫦娥一號(hào)衛(wèi)星的備份星為基礎(chǔ)進(jìn)行研制的，但衛(wèi)星上共有214臺(tái)硬件設(shè)備，它們有著不同的狀態(tài)。其中，繼承了嫦娥一號(hào)衛(wèi)星的產(chǎn)品大約占85%，做過(guò)修改的產(chǎn)品占10%，新研制的產(chǎn)品占5%。產(chǎn)品的不同狀態(tài)增加了衛(wèi)星的風(fēng)險(xiǎn)。嫦娥二號(hào)衛(wèi)星研制隊(duì)伍很年輕。在嫦娥二號(hào)衛(wèi)星10個(gè)分系統(tǒng)的主任設(shè)計(jì)師中，只有一個(gè)是嫦娥一號(hào)衛(wèi)星研制隊(duì)伍中留下來(lái)的，其他的都是原來(lái)的副主任設(shè)計(jì)師，或者是從原來(lái)研制隊(duì)伍中逐步走上重要技術(shù)崗位的年輕技術(shù)人員。

黃江川告訴記者，為保證嫦娥二號(hào)衛(wèi)星過(guò)硬的質(zhì)量，在任務(wù)分析階段和項(xiàng)目實(shí)施的初始階段，團(tuán)隊(duì)基于新任務(wù)的特點(diǎn)、難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)做了充分識(shí)別，對(duì)復(fù)雜的狀態(tài)管理進(jìn)行了精心策劃，對(duì)年輕隊(duì)伍的培訓(xùn)進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)劃并有效實(shí)施……每一項(xiàng)工作都做得扎扎實(shí)實(shí)、細(xì)致認(rèn)真。同時(shí)針對(duì)型號(hào)研制和管理過(guò)程中曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)的質(zhì)量問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)更是迅速集中力量從自身尋找差距，吸取教訓(xùn)，學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，始終以高昂的精神狀態(tài)和縝密的思考方式，推動(dòng)研制工作有條不紊地開(kāi)展。

“在嫦娥二號(hào)任務(wù)中，我們采取了大量的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和控制措施。任務(wù)實(shí)施前期，各單位就從識(shí)別產(chǎn)品要求到產(chǎn)品交付的各個(gè)環(huán)節(jié)采取了精細(xì)控制，確保一次成功。”中國(guó)空間技術(shù)研究院院長(zhǎng)楊保華說(shuō)，在型號(hào)研制、發(fā)射場(chǎng)的最后測(cè)試過(guò)程中，認(rèn)真加強(qiáng)了“雙想”工作和“九新”分析，聚焦、放大每一個(gè)可疑點(diǎn)，并積極完善風(fēng)險(xiǎn)控制預(yù)案。衛(wèi)星發(fā)射前，衛(wèi)星與火箭兩大系統(tǒng)共形成了111項(xiàng)針對(duì)各種風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)案，有效提出了各種應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的措施，有力地保證了產(chǎn)品質(zhì)量，使產(chǎn)品可靠性有了很大跨越。