樊巍 呂炳宏 田枝

用殘用勝利來振

編者的話：2020年7月日宣布全面建成的北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是過去十年中，中國航天最為耀眼時(shí)成就之一。這項(xiàng)由中國自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在維護(hù)國家安全、服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展方面發(fā)揮了不可替代的作用。從1994年正式啟動(dòng)至2020年全面建成，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)耗時(shí)26年，共組織了44次北斗發(fā)射任務(wù)，先后將59顆北斗衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，任務(wù)成功率達(dá)到100%。

驚心動(dòng)魄的5分鐘

2020年3月9日19時(shí)55分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，運(yùn)用長征三號(hào)乙運(yùn)載火箭，將北斗三號(hào)GEO-2衛(wèi)星順利送入近地點(diǎn)200余公里，遠(yuǎn)地點(diǎn)3.6萬余公里的大橢圓軌道，隨著衛(wèi)星太陽能帆板打開，此次發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功。作為北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的第29顆衛(wèi)星，北斗三號(hào)GEO-2衛(wèi)星的發(fā)射成功，意味著中國北斗距離全球組網(wǎng)僅有一步之遙。

然而在西安衛(wèi)星測控中心，發(fā)射成功的大紅屏卻昭示著中國“牧星人”后續(xù)更加繁重任務(wù)的開始。按照計(jì)劃，北斗三號(hào)GEO-2衛(wèi)星在進(jìn)入大橢圓軌道后，將實(shí)施數(shù)次變軌，逐步抬升衛(wèi)星軌道近地點(diǎn)的高度，降低軌道傾角。最終目標(biāo)是讓衛(wèi)星進(jìn)入距離地球3.6萬余公里的地球靜止軌道。

在發(fā)射第二天進(jìn)行的首次變軌中,一切如常，但在實(shí)痼第二次變軌過程中，意外發(fā)生了。在衛(wèi)星主發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)點(diǎn)火十幾分鐘后，遙測數(shù)據(jù)顯示，衛(wèi)星的姿態(tài)突然出現(xiàn)異變趨勢?！爸笓]大廳的屏幕上顯示，有一個(gè)干擾力矩導(dǎo)致衛(wèi)星的姿態(tài)出現(xiàn)擾動(dòng)?！蔽靼残l(wèi)星測控中心高級(jí)工程師王鑫告訴《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者，這就好比一個(gè)人本來站姿端正，卻突然出現(xiàn)一股外力，把這個(gè)人向左邊猛推一下，又向右邊猛推一下。

衛(wèi)星姿態(tài)的異常通常會(huì)引發(fā)一系列災(zāi)難性后果。王鑫介紹稱，衛(wèi)星姿態(tài)不穩(wěn)會(huì)導(dǎo)致星上的器件受損，以至于徹底無法工作，更嚴(yán)重的是可能會(huì)造成衛(wèi)星與地面之間的通信中斷，導(dǎo)致地面無法對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測和控制。

通常而言，每一次發(fā)射任務(wù)，在西安衛(wèi)星測控中心的指揮大廳內(nèi)，會(huì)有飛控團(tuán)隊(duì)和衛(wèi)星研制方的技術(shù)團(tuán)隊(duì)共同執(zhí)行早期的測控任務(wù)，以便更好地掌握衛(wèi)星的相關(guān)情況和狀態(tài)。但2020年3月正值新冠肺炎疫情肆虐全國，衛(wèi)星研制方技術(shù)團(tuán)隊(duì)雖然也在西安衛(wèi)星測控中心，但出于疫情防控要求，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)只能分散于兩個(gè)工作廳內(nèi)執(zhí)行此次任務(wù)，在衛(wèi)星突發(fā)故障的危急時(shí)刻無法面對(duì)面分享數(shù)據(jù)，交流想法，只能通過電話和調(diào)度人員商討解決措施，在那個(gè)千鈞一發(fā)的時(shí)刻，這無疑給應(yīng)急處置增添了難度。

面對(duì)大紅屏上顯示衛(wèi)星干擾力矩?cái)?shù)據(jù)持續(xù)加大的危險(xiǎn)局面，地面飛控人員通過研判后決定為衛(wèi)星設(shè)置一個(gè)臨界參數(shù)，一旦衛(wèi)星姿態(tài)異變的參數(shù)達(dá)到這個(gè)值，地面人員就必須立馬發(fā)送指令緊急關(guān)閉衛(wèi)星的主發(fā)動(dòng)機(jī)，確保衛(wèi)星的安全?！爱?dāng)時(shí)的情況是：如果衛(wèi)星姿態(tài)異變參數(shù)超過這個(gè)臨界點(diǎn)，衛(wèi)星就有可能會(huì)失聯(lián)、失控，在那之前如果我們還沒有實(shí)施主發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，那么衛(wèi)星就再也無法接受指令實(shí)施關(guān)機(jī)了，最終衛(wèi)星處于什么狀態(tài)，飛到了哪個(gè)地方我們都無法知道。”王鑫介紹稱，因?yàn)楫?dāng)時(shí)衛(wèi)星的動(dòng)力系統(tǒng)中只有主發(fā)動(dòng)機(jī)在工作，因此大家初步研判應(yīng)該是衛(wèi)星的主發(fā)動(dòng)機(jī)出'現(xiàn)問題才導(dǎo)致衛(wèi)星姿態(tài)的異變，-旦關(guān)閉主發(fā)動(dòng)機(jī)，衛(wèi)星的姿態(tài)應(yīng)該能夠穩(wěn)住。

最終，在衛(wèi)星姿態(tài)出現(xiàn)異變情況5分鐘后，異變參數(shù)到達(dá)臨界點(diǎn)，地面人員緊急發(fā)送指令實(shí)施衛(wèi)星主發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)。關(guān)機(jī)后，指揮大廳的大屏幕上很快就顯示衛(wèi)星姿態(tài)異變趨勢逐漸減緩。

蕩氣回腸的20天

把衛(wèi)星從失控的邊緣救回來并不能讓地面飛控人員松一口氣。作為北斗三號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)中功能最多、信號(hào)最多、體形最大、壽命最長的一型衛(wèi)星，北斗三號(hào)GEO軌道衛(wèi)星的造價(jià)自然不菲，如果因?yàn)橹靼l(fā)動(dòng)機(jī)故障導(dǎo)致衛(wèi)星無法爬升到地球靜止軌道，從而失去應(yīng)有的作用，無疑將造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

此外，按照北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的整體規(guī)劃，自2017年11月開始，要在兩年多的時(shí)間內(nèi)通過高密度的18次發(fā)射完成30顆北斗三號(hào)衛(wèi)星的部署，從而實(shí)現(xiàn)北斗三號(hào)衛(wèi)星的全球組網(wǎng)。王鑫介紹稱，這個(gè)組網(wǎng)計(jì)劃十分飽滿，且環(huán)環(huán)相扣，對(duì)于整個(gè)大工程的各大系統(tǒng)來說，都很難有“余量”在預(yù)定時(shí)間內(nèi)補(bǔ)發(fā)一顆衛(wèi)星補(bǔ)缺?！白鳛橄到y(tǒng)全面建成前的倒數(shù)第二顆組網(wǎng)衛(wèi)星，北斗三號(hào)GEO-2衛(wèi)星如果未能正常投入運(yùn)行，至少還需再等上一年時(shí)間才能完成替補(bǔ)衛(wèi)星的發(fā)射，這意味著2020年完成組網(wǎng)的預(yù)期目標(biāo)將難以實(shí)現(xiàn)，全面建成北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的相關(guān)計(jì)劃都將推退?！?/p>

面對(duì)這樣一顆不容有失的衛(wèi)星，現(xiàn)場這些跟隨北斗工程一路走來的任務(wù)人員都不甘心放棄。在化解衛(wèi)星失控危機(jī)之后，地面飛控人員隨即發(fā)送指令讓衛(wèi)星姿態(tài)逐漸恢復(fù)正常，并進(jìn)入安全工作模式，隨后就開始同衛(wèi)星研制方的技術(shù)團(tuán)隊(duì)一起對(duì)衛(wèi)星異常的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)開展細(xì)致分析，試圖盡快定位衛(wèi)星的故障點(diǎn)。

結(jié)合分析的結(jié)果，衛(wèi)星研制方通過仿真等手段在地面上進(jìn)行“復(fù)盤”性質(zhì)的試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星之所以出現(xiàn)姿態(tài)失控，是因?yàn)橹靼l(fā)動(dòng)機(jī)噴管的喉部出現(xiàn)了燒蝕現(xiàn)象?！巴ㄋ锥跃褪切l(wèi)星主發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的喉部燒出了一個(gè)洞，這就會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的推力不穩(wěn)定，燒穿的地方漏出的工質(zhì)對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)造成了擾動(dòng)，導(dǎo)致衛(wèi)星姿態(tài)異變，王鑫稱。

彼時(shí)，衛(wèi)星滯留在近地點(diǎn)高度6000余公里的過渡軌道，想要繼續(xù)爬升到地球靜止軌道就必須依靠衛(wèi)星自身的動(dòng)力系統(tǒng)將近地點(diǎn)高度再抬升3萬余公里。由于此前的變軌方案都是圍繞衛(wèi)星主發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的情況而制定，因此有一種聲音主張，既然衛(wèi)星的姿態(tài)已經(jīng)穩(wěn)定了，那么就可以嘗試重新點(diǎn)燃衛(wèi)星主發(fā)動(dòng)機(jī)，按原計(jì)劃實(shí)施變軌。

但有另一種聲音卻認(rèn)為，因?yàn)樾l(wèi)星主發(fā)動(dòng)管的燒蝕點(diǎn)始終會(huì)產(chǎn)生干擾力矩，影響衛(wèi)星姿態(tài)的穩(wěn)定，而且噴出的工質(zhì)有可能會(huì)對(duì)離噴管較近的星上部件造成損害，這個(gè)方案風(fēng)險(xiǎn)太大。于是一種更為復(fù)雜但卻更加安全的方案最終勝出：放棄衛(wèi)星的主發(fā)動(dòng)機(jī)，而是選用星上推力更小、用以維持衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定的姿軌控推力器實(shí)施更多次變軌。

然而這種方案在實(shí)施過程中也要面臨多種限制因素。王鑫介紹稱，在衛(wèi)星變軌過程中，隨時(shí)掌握衛(wèi)星狀態(tài)，及時(shí)發(fā)送指令精準(zhǔn)實(shí)施衛(wèi)星推力器開關(guān)機(jī)尤為關(guān)鍵，這就需要保證地面與衛(wèi)星之間星地測控鏈路暢通。但由于我國測控網(wǎng)規(guī)模有限，無法實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星在軌運(yùn)行的全弧段測控，因此在衛(wèi)星變軌點(diǎn)的選擇上，除了要盡量靠近變軌時(shí)最”省時(shí)省力”的軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)之外，變軌點(diǎn)還必須在我們的測控范圍內(nèi)。

此外，在這個(gè)更為復(fù)雜的變軌過程中，還需要盡量節(jié)省衛(wèi)星燃料，減少對(duì)衛(wèi)星姿軌控推力器壽命的影響。“這就需要我們制定合理的點(diǎn)火策略，優(yōu)化衛(wèi)星燃料消耗、點(diǎn)火軌道位置和點(diǎn)火弧段，在不同的變軌點(diǎn)采用不同推力器組合實(shí)施點(diǎn)火，這樣才能規(guī)避因?yàn)閳?zhí)行應(yīng)急變軌任務(wù)，對(duì)衛(wèi)星姿軌控推力器的超壽使用?！蓖貊畏Q。

在綜合考慮到各種因素后，經(jīng)過任務(wù)團(tuán)隊(duì)細(xì)致計(jì)算，最終搭配出三套推力充足的姿軌控推力器組合，制定好每組推力器的合理工作時(shí)長，調(diào)整好推力器噴氣方向。在經(jīng)過試點(diǎn)火，確認(rèn)每套推力器組合都能確保衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)定后，最終開始實(shí)施這場扣人心弦的變軌計(jì)劃。

3月28日，在耗時(shí)近20天，實(shí)施近20次精確變軌后，北斗三號(hào)GEO-2衛(wèi)星最終依靠星上十余臺(tái)姿軌控推力器，實(shí)現(xiàn)了持續(xù)抬升軌道高度，逐漸壓低軌道傾角，順利定點(diǎn)于離地3.6萬余公里的地球靜止軌道。這顆事關(guān)北斗工程建設(shè)全局的衛(wèi)星最終被成功救回。

更加難能可貴的是，后續(xù)經(jīng)過西安衛(wèi)星測控中心技術(shù)人員的測算，這次意料之外的“救星”任務(wù)并未對(duì)衛(wèi)星的設(shè)計(jì)使用壽命造成明顯影響。王鑫介紹稱，得益于衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)的冗余設(shè)計(jì)衛(wèi)星實(shí)際攜帶的燃料量以及星上器件的實(shí)際使用年限都超過設(shè)計(jì)使用年限，“在這場'救星任務(wù)中我們也制定了最優(yōu)化的變軌策略，最終衛(wèi)星的剩余使用壽命依舊能夠大于設(shè)計(jì)使用壽命?！?/p>

燦爛輝煌的十年

“太空資產(chǎn)是國家戰(zhàn)略資產(chǎn)，要管好用好，更要保護(hù)好。”在過去十年中，我國的在軌衛(wèi)星數(shù)量越來越多，功能越來越強(qiáng)，價(jià)值也越來越大，作為中國太空資產(chǎn)最為堅(jiān)實(shí)的守護(hù)者，西安衛(wèi)星測控中心“牧星人”團(tuán)隊(duì)不辱使命，在浩瀚的宇宙中書寫亍垣多的“隱秘而偉大”。

“中國衛(wèi)星數(shù)量的日益增長，以及太空環(huán)境的越發(fā)復(fù)雜，意味著我們所承擔(dān)的任務(wù)越來越繁重，但意義也越來越重大?！蔽靼残l(wèi)星測控中心正高級(jí)工程師楊永安告訴《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者，如今，西安衛(wèi)星測控中心長期管理的各類衛(wèi)星數(shù)量已經(jīng)達(dá)到300多顆，其中1/3以上的衛(wèi)星處于超期服役狀態(tài)，這些長期在軌運(yùn)行的衛(wèi)星難免會(huì)因?yàn)樵O(shè)備、器件老化等問題出現(xiàn)故障，但憑借出色的運(yùn)維，衛(wèi)星目前工作狀態(tài)依舊良好，在太空中為服務(wù)國計(jì)民生發(fā)揮余熱。

讓“中國星”在太空中持久閃耀的秘訣在于過硬的本領(lǐng)和勇于擔(dān)當(dāng)?shù)木?。楊永安表示，在過去十年中，西安衛(wèi)星測控中心開展了多項(xiàng)創(chuàng)新性探索，目前已形成對(duì)在軌衛(wèi)星“體檢”“診斷”和“救治”的全流程故障診斷與維修能力?？偨Y(jié)歷年執(zhí)行測控任務(wù)經(jīng)驗(yàn)所制定的衛(wèi)星故障分析預(yù)案以及搶救預(yù)案，能夠處置目前出現(xiàn)的大部分衛(wèi)星故障，也正是在這套體系的保障下，西安衛(wèi)星測控中心“牧星人”團(tuán)隊(duì)在近十年內(nèi)，成功完成包括中星9A、北斗三號(hào)GEO-2衛(wèi)星在內(nèi)的多次衛(wèi)星搶救任務(wù)，創(chuàng)造了許多太空奇跡。

然而，讓衛(wèi)星“重生”所創(chuàng)造的價(jià)值并不總能為人所知。就像許多其他航天系統(tǒng)一樣，“干驚天動(dòng)地事，做隱姓埋名人”也是深植于西安衛(wèi)星測控中心的傳統(tǒng)和信念?！?/p>