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  庞丹 刘之辉 本报记者 陈瑜

  9月15日,嫦娥二号卫星成功传下第一批试验数据。

  此前,8月25日23时27分,经过77天太空飞行,嫦娥二号卫星准确进入其拓展任务的目的地——距地球150万公里的日—地引力平衡点,即“第二拉格朗日点”(L2点)环绕轨道,并于9月1日与太阳、地球、L2点处在同一平面内,开展为期一年多的探测活动。

  世界上第一次从月球轨道出发探测L2点的航天活动;第一次实现我国对月球以外的太空进行探测;我国第一次开展L2点转移轨道和使命轨道的设计和控制,并实现150万公里远距离测控通信……当众多荣誉涌向嫦娥二号卫星时,科技日报记者来到嫦娥的“娘家”——中国空间技术研究院,探寻这个神秘的源头。

  打造“天梯”:从40万公里到150万公里的跨越

  对于头顶的这轮皓月,人类从未停止过畅想。

  2008年6月25日,有关方面确定将嫦娥一号备份星进行改进,作为二期工程技术先导星,验证二期工程部分关键技术,并依据发射顺序,将该任务命名为“嫦娥二号任务”。

  10月16日,国务院批准实施嫦娥二号任务。至此,从“绕”起步、为“落”而生的嫦娥二号卫星被赋予新的历史使命。根据我国探月工程“绕、落、回”三步走的规划,嫦娥二号卫星实际上相当于“绕月”与“落月”的桥梁和纽带,主要任务是深化月球探测的成果,同时验证将来要实现月球软着陆的部分技术,降低软着陆的风险。

  今年4月1日,半年设计寿命期满,嫦娥二号卫星不仅全面实现了既定的各项工程目标和科学探测任务,而且卫星运行状态良好,剩余燃料较充足,全系统状态正常稳定。

  有关嫦娥二号卫星的“命运”有了多种猜想。

  为了最大限度发挥卫星的作用,深化和拓展月球及深空探测成果,综合权衡卫星状态、燃料剩余、测控通信能力、技术试验与科学探测价值等,卫星、测控和地面应用三大系统在国防科工局的统一组织下,细致研究了燃料利用、试验时机、月食应对等因素,最终在五大方案中选择了飞往L2点和开展3项拓展试验。

  150万公里以外的L2点,中国的卫星从未造访过,最突出的难点之一就是燃料,只有轨道设计精准、测定轨道准确、飞行控制精确,才能节省大量燃料。

  “对于月球探测和深空探测的航天器来说,其上天成本甚至是几倍于同重量的黄金。”在嫦娥二号卫星系统总设计师黄江川看来,我国要想实现更大重量或者更远距离的空间探测,必须最充分地利用火箭推力,减少卫星燃料的消耗。这其中完美的轨道设计功不可没。

  早在嫦娥二号卫星任务实施前,以黄江川为代表的研制队伍就将目光投向更远的深空。卫星与火箭两大系统的有关专家互相配合,携手合作。经过反复核算,最终采用地月转移轨道,为“嫦娥奔月”打造了一架快捷方便的“直达天梯”。相比于嫦娥一号卫星,嫦娥二号卫星的奔月时间缩短了近一半,大大节省了卫星燃料,为嫦娥二号卫星完美地完成从40万公里到150万公里的跨越奠定了基础。

  低能耗轨道:解决“断炊”之忧

  嫦娥二号卫星飞往L2点是我国航天领域的又一重大跨越。从工程技术方面来讲,从月球轨道飞往L2点,标志着我国在轨道设计、飞行控制、测控、通信方面的技术有了新突破,成为继美国、欧空局之后第三个在这点上进行空间探测的国家或组织,也是我国第一次进行一次发射、执行多个任务、开展多个目标探测的尝试。

  为使嫦娥二号卫星顺利到达L2点,卫星设计人员精心进行了轨道设计。

  “从4月1日嫦娥二号卫星圆满完成既定任务到6月9日飞离月球、奔向深空,只有短短两个多月时间,要设计出全新的轨道方案,这是个很大的挑战。”中国空间技术研究院嫦娥二号卫星主任设计师黄昊说,原因主要是轨道设计的复杂程度大大提高。

  这是个复杂的多天体引力场轨道设计。对于地球卫星而言,轨道设计时只涉及一个引力场,即地球;月球探测卫星的轨道,则要考虑地球和月球两个引力场,以及其间的拼接过程。这次轨道设计,除地、月外,还必须兼顾考虑太阳的引力场。同时,L2点非常敏感,对卫星入轨时的位置、速度要求非常高,稍有偏差就会出现失误,导致卫星飞向更远的深空,或是飞回地球。此外,这是个不稳定点,在环绕飞行阶段,卫星只要受到任何一点扰动都可能会漂离,这也给轨道设计精度提出了更高要求,同时也可能面临多次轨道修正。因此整个飞行轨道都必须经过精确的规划和设计。

  在兼顾日、地、月三大引力场,并考虑到卫星所剩燃料有限等因素,卫星设计人员最终选择了一条消耗能力最低的轨道。

  轨道设计好了,精准的飞行控制也很重要。在奔赴L2点的漫漫旅途中,只要有一点控制不好,哪怕产生每秒一两米的误差,嫦娥二号卫星的命运就会大大改变:或者出不了月球,或者飞往地球,或者飞往更远的深空。

  GNC(制导导航与控制)分系统副总师王晓磊带领着年轻的设计师们凭借着扎实的技术功底和丰厚的实战经验,漂亮地完成了这一高难度动作。就这样,嫦娥二号卫星解决了“断炊”之忧,为后续工作打下了坚实的基础。

  风险识别和控制措施:有力保证产品质量

  虽然嫦娥二号卫星是以嫦娥一号卫星的备份星为基础进行研制的,但卫星上共有214台硬件设备,它们有着不同的状态。其中,继承了嫦娥一号卫星的产品大约占85%,做过修改的产品占10%,新研制的产品占5%。产品的不同状态增加了卫星的风险。

  嫦娥二号卫星研制队伍很年轻。在嫦娥二号卫星10个分系统的主任设计师中,只有一个是嫦娥一号卫星研制队伍中留下来的,其他的都是原来的副主任设计师,或者是从原来研制队伍中逐步走上重要技术岗位的年轻技术人员。

  黄江川告诉记者,为保证嫦娥二号卫星过硬的质量,在任务分析阶段和项目实施的初始阶段,团队基于新任务的特点、难点和风险点做了充分识别,对复杂的状态管理进行了精心策划,对年轻队伍的培训进行了详细规划并有效实施……每一项工作都做得扎扎实实、细致认真。同时针对型号研制和管理过程中曾经出现过的质量问题,团队更是迅速集中力量从自身寻找差距,吸取教训,学习经验,始终以高昂的精神状态和缜密的思考方式,推动研制工作有条不紊地开展。

  “在嫦娥二号任务中,我们采取了大量的风险识别和控制措施。任务实施前期,各单位就从识别产品要求到产品交付的各个环节采取了精细控制,确保一次成功。”中国空间技术研究院院长杨保华说,在型号研制、发射场的最后测试过程中,认真加强了“双想”工作和“九新”分析,聚焦、放大每一个可疑点,并积极完善风险控制预案。卫星发射前,卫星与火箭两大系统共形成了111项针对各种风险的预案,有效提出了各种应对风险的措施,有力地保证了产品质量,使产品可靠性有了很大跨越。

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