嫦娥二號衛(wèi)星遠征150萬公里外深空紀實

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

此前，8月25日23時27分，經(jīng)過77天太空飛行，嫦娥二號衛(wèi)星準確進入其拓展任務的目的地——距地球150萬公里的日—地引力平衡點，即“第二拉格朗日點”（L2點）環(huán)繞軌道，并于9月1日與太陽、地球、L2點處在同一平面內(nèi)，開展為期一年多的探測活動。

世界上第一次從月球軌道出發(fā)探測L2點的航天活動；第一次實現(xiàn)我國對月球以外的太空進行探測；我國第一次開展L2點轉移軌道和使命軌道的設計和控制，并實現(xiàn)150萬公里遠距離測控通信……當眾多榮譽涌向嫦娥二號衛(wèi)星時，科技日報記者來到嫦娥的“娘家”——中國空間技術研究院，探尋這個神秘的源頭。

打造“天梯”：從40萬公里到150萬公里的跨越

對于頭頂?shù)倪@輪皓月，人類從未停止過暢想。

2008年6月25日，有關方面確定將嫦娥一號備份星進行改進，作為二期工程技術先導星，驗證二期工程部分關鍵技術，并依據(jù)發(fā)射順序，將該任務命名為“嫦娥二號任務”。10月16日，國務院批準實施嫦娥二號任務。至此，從“繞”起步、為“落”而生的嫦娥二號衛(wèi)星被賦予新的歷史使命。根據(jù)我國探月工程“繞、落、回”三步走的規(guī)劃，嫦娥二號衛(wèi)星實際上相當于“繞月”與“落月”的橋梁和紐帶，主要任務是深化月球探測的成果，同時驗證將來要實現(xiàn)月球軟著陸的部分技術，降低軟著陸的風險。今年4月1日，半年設計壽命期滿，嫦娥二號衛(wèi)星不僅全面實現(xiàn)了既定的各項工程目標和科學探測任務，而且衛(wèi)星運行狀態(tài)良好，剩余燃料較充足，全系統(tǒng)狀態(tài)正常穩(wěn)定。

有關嫦娥二號衛(wèi)星的“命運”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成果，綜合權衡衛(wèi)星狀態(tài)、燃料剩余、測控通信能力、技術試驗與科學探測價值等，衛(wèi)星、測控和地面應用三大系統(tǒng)在國防科工局的統(tǒng)一組織下，細致研究了燃料利用、試驗時機、月食應對等因素，最終在五大方案中選擇了飛往L2點和開展3項拓展試驗。150萬公里以外的L2點，中國的衛(wèi)星從未造訪過，最突出的難點之一就是燃料，只有軌道設計精準、測定軌道準確、飛行控制精確，才能節(jié)省大量燃料?！皩τ谠虑蛱綔y和深空探測的航天器來說，其上天成本甚至是幾倍于同重量的黃金?！痹阪隙鸲栃l(wèi)星系統(tǒng)總設計師黃江川看來，我國要想實現(xiàn)更大重量或者更遠距離的空間探測，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計功不可沒。

早在嫦娥二號衛(wèi)星任務實施前，以黃江川為代表的研制隊伍就將目光投向更遠的深空。衛(wèi)星與火箭兩大系統(tǒng)的有關專家互相配合，攜手合作。經(jīng)過反復核算，最終采用地月轉移軌道，為“嫦娥奔月”打造了一架快捷方便的“直達天梯”。相比于嫦娥一號衛(wèi)星，嫦娥二號衛(wèi)星的奔月時間縮短了近一半，大大節(jié)省了衛(wèi)星燃料，為嫦娥二號衛(wèi)星完美地完成從40萬公里到150萬公里的跨越奠定了基礎。

低能耗軌道：解決“斷炊”之憂

嫦娥二號衛(wèi)星飛往L2點是我國航天領域的又一重大跨越。從工程技術方面來講，從月球軌道飛往L2點，標志著我國在軌道設計、飛行控制、測控、通信方面的技術有了新突破，成為繼美國、歐空局之后第三個在這點上進行空間探測的國家或組織，也是我國第一次進行一次發(fā)射、執(zhí)行多個任務、開展多個目標探測的嘗試。

為使嫦娥二號衛(wèi)星順利到達L2點，衛(wèi)星設計人員精心進行了軌道設計。

“從4月1日嫦娥二號衛(wèi)星圓滿完成既定任務到6月9日飛離月球、奔向深空，只有短短兩個多月時間，要設計出全新的軌道方案，這是個很大的挑戰(zhàn)。”中國空間技術研究院嫦娥二號衛(wèi)星主任設計師黃昊說，原因主要是軌道設計的復雜程度大大提高。這是個復雜的多天體引力場軌道設計。對于地球衛(wèi)星而言，軌道設計時只涉及一個引力場，即地球；月球探測衛(wèi)星的軌道，則要考慮地球和月球兩個引力場，以及其間的拼接過程。這次軌道設計，除地、月外，還必須兼顧考慮太陽的引力場。同時，L2點非常敏感，對衛(wèi)星入軌時的位置、速度要求非常高，稍有偏差就會出現(xiàn)失誤，導致衛(wèi)星飛向更遠的深空，或是飛回地球。此外，這是個不穩(wěn)定點，在環(huán)繞飛行階段，衛(wèi)星只要受到任何一點擾動都可能會漂離，這也給軌道設計精度提出了更高要求，同時也可能面臨多次軌道修正。因此整個飛行軌道都必須經(jīng)過精確的規(guī)劃和設計。在兼顧日、地、月三大引力場，并考慮到衛(wèi)星所剩燃料有限等因素，衛(wèi)星設計人員最終選擇了一條消耗能力最低的軌道。軌道設計好了，精準的飛行控制也很重要。在奔赴L2點的漫漫旅途中，只要有一點控制不好，哪怕產(chǎn)生每秒一兩米的誤差，嫦娥二號衛(wèi)星的命運就會大大改變：或者出不了月球，或者飛往地球，或者飛往更遠的深空。

GNC(制導導航與控制)分系統(tǒng)副總師王曉磊帶領著年輕的設計師們憑借著扎實的技術功底和豐厚的實戰(zhàn)經(jīng)驗，漂亮地完成了這一高難度動作。就這樣，嫦娥二號衛(wèi)星解決了“斷炊”之憂，為后續(xù)工作打下了堅實的基礎。

風險識別和控制措施：有力保證產(chǎn)品質(zhì)量

雖然嫦娥二號衛(wèi)星是以嫦娥一號衛(wèi)星的備份星為基礎進行研制的，但衛(wèi)星上共有214臺硬件設備，它們有著不同的狀態(tài)。其中，繼承了嫦娥一號衛(wèi)星的產(chǎn)品大約占85%，做過修改的產(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)星的風險。嫦娥二號衛(wèi)星研制隊伍很年輕。在嫦娥二號衛(wèi)星10個分系統(tǒng)的主任設計師中，只有一個是嫦娥一號衛(wèi)星研制隊伍中留下來的，其他的都是原來的副主任設計師，或者是從原來研制隊伍中逐步走上重要技術崗位的年輕技術人員。

黃江川告訴記者，為保證嫦娥二號衛(wèi)星過硬的質(zhì)量，在任務分析階段和項目實施的初始階段，團隊基于新任務的特點、難點和風險點做了充分識別，對復雜的狀態(tài)管理進行了精心策劃，對年輕隊伍的培訓進行了詳細規(guī)劃并有效實施……每一項工作都做得扎扎實實、細致認真。同時針對型號研制和管理過程中曾經(jīng)出現(xiàn)過的質(zhì)量問題，團隊更是迅速集中力量從自身尋找差距，吸取教訓，學習經(jīng)驗，始終以高昂的精神狀態(tài)和縝密的思考方式，推動研制工作有條不紊地開展。

“在嫦娥二號任務中，我們采取了大量的風險識別和控制措施。任務實施前期，各單位就從識別產(chǎn)品要求到產(chǎn)品交付的各個環(huán)節(jié)采取了精細控制，確保一次成功?！敝袊臻g技術研究院院長楊保華說，在型號研制、發(fā)射場的最后測試過程中，認真加強了“雙想”工作和“九新”分析，聚焦、放大每一個可疑點，并積極完善風險控制預案。衛(wèi)星發(fā)射前，衛(wèi)星與火箭兩大系統(tǒng)共形成了111項針對各種風險的預案，有效提出了各種應對風險的措施，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。