三十八万公里的星路历程——专访中国探月工程总设计师、“两弹一星”元勋孙家栋等专家解密嫦娥奔月轨道

漫漫长路，如何确保“嫦娥”不出轨，平安抵达“广寒宫”

 

 

医护人员守候在观测嫦娥号升空现场        本报记者    王轶庶/图

 

 

 

在发射现场观看嫦娥号升天的人们        本报记者    王轶庶/图

    10月24日18时05分，中国西昌卫星发射中心。大地轰鸣，长征三号甲运载火箭搭载嫦娥一号探月卫星直冲云霄，奔向遥远的月球。
    用“嫦娥”命名中国首颗探月卫星，可谓顺理成章。没有人比这个栖居于中国古老传说中的凄美女子，更怀念她的桂树，她的玉兔。
    但一开始，这个名字还是让它的制造者们感觉“别扭”。大约在2005年，卫星和其他系统之间进行对接试验。熟稔了类似“我是长江”或“我是黄河”对接口令的男工程师们，喊出“我是嫦娥”后，老觉得不太自然。
    然而，设计难关一个个被攻克，国内最好的技术渐次赋予了它，嫦娥一号对研究者们也不再陌生。负责卫星设计的一位领军人物，喜欢这样向别人介绍女同事：“这是我的嫦娥。”
    倘若一切遂愿，“嫦娥一号”将在11月5日前后平安抵达环月轨道。此后一年，它将在距月200公里左右高空的轨道上，带我们去看月亮的风尘和土壤。
    火箭点燃的一刻，中国也拉开了深空探测的大幕。嫦娥一号勾勒出的开端，注定将被历史铭记。

轨道：第一道难关
    嫦娥在茫茫太空如何平安奔月？它需要有一条路。“就像是你要去成都，必须知道该怎么走。”
    被火箭送到200公里的高空后，嫦娥一号将展开它蓝黑色的帆板，独立面对登月之旅。
    嫦娥如何平安奔月？首先，它需要一条道路，航天专家们称之为轨道。这是绕月工程的核心环节之一。
    “就像是你要去成都，必须知道该怎么走。”10月22日，接受南方周末采访时，中国探月工程总设计师孙家栋说。
    困扰科学家们的问题，与以前中国掌握的地球卫星有着根本的不同：一般地球卫星只需考虑卫星和地球之间的关系，现在多了一个月亮，带来了力学和轨道研究等方面非常复杂的问题。“就像猎人打猎。最大的区别就是，嫦娥一号打的是一个移动的月亮。”孙家栋用这样一个例子，来描述难点所在。
    奔月的轨道设计，一般是从后往前设计。也就是说，卫星最终的使命，决定了轨道的前边一步的设计方案。嫦娥一号也不例外。
    事实上，讨论嫦娥一号轨道时，专家组有人提出用火箭直接将嫦娥送入登月通道。经过论证，这一思路并未采用。
    此番嫦娥一号被赋予的使命是，拍摄三维立体月球地形图、评估月壤厚度和氦-3的储量、探究距离地球40万公里的空间环境，以及探测特殊元素月球分布——这被总称为此次嫦娥号的四个科学目标。
    计算表明，为完成这些使命，嫦娥一号需到达距月球200公里高空的轨道上去。这一数字决定了它的轨道设计方案。
    最终确立的轨道是这样的：嫦娥一号首先绕地球沿三个逐渐变大的椭圆轨道飞行（调相轨道）；充分测试仪器调整姿态后，精确从奔月口开始真正的奔月之旅（地月转移轨道）；最终抵达月球上空（环月轨道）。
    区别于科学目标，科学家将嫦娥一号送上月球轨道的这个使命，称为工程目标。
    嫦娥工程卫星设计师和总指挥、中国空间技术研究院叶培建院士曾表示，“工程目标才是最主要、最难的目标，更是实现科学目标的前提和基础。”
    接受一家媒体采访时，叶培建罗列了研发嫦娥一号众多的难关，把轨道问题排在了第一位。

 

医护人员守候在观测嫦娥号升空现场　　本报记者　王轶庶/图

奔月口
    “奔月口”像一个高速公路的出口。“必须准确找到这个出口。否则不知道下一个出口在哪里呢，不知道兜多远。”
    发射后的未来几天内，嫦娥一号探月卫星首先将围绕地球，划出逐渐增大的三个椭圆痕迹，以期进入“奔月口”。“奔月口”实际上是地球上空的一个点，嫦娥沿预定的轨道，必须从那个点出发，飞向奔月轨道，才能跟运动中的月亮碰上。
    用中国探月工程副总设计师、中国工程院院士龙乐豪的话说，“奔月口”像一个高速公路的出口。接受本报记者采访时，他说，“必须准确找到这个出口。否则不知道下一个出口在哪里呢，不知道兜多远。”
    最早划出的，是一个近地点200公里、远地点51000公里、周期为16小时的环地球椭圆。在这条轨道上，嫦娥一号将在第二个远地点作一次小的变轨，嫦娥一号卫星发动机点火，将它的近地点提升到600公里。
    随后，嫦娥一号发动机再次点火，第一次大的变轨发生，轨道周期被调整为24小时。再次到达近地点时的卫星，将作出第二次大的变轨，将轨道周期增加到48小时，使远地点高度达到约13.7万公里。
    这一系列变化，看起来显得繁冗，事实上却深具用心，能让下一步的奔月飞行更为精确和保险。
    一位权威人士介绍，如果卫星不做上述环地运动，直接进入奔月点，为克服重力发动机会消耗很长时间，会消耗更多的燃料，也可能伤及发动机本身。“燃料是卫星的生命。发动机开得次数越少，时间越短，卫星越安全。”
    同时，国内的测控能力有限，嫦娥一号几个近地点都是在同一地区，卫星相对于地球的位置基本不变，按照预想，重要的变轨点争取都在中国的测控视野覆盖范围，便于测控。
    北京航空航天大学宇航学院的航天制导导航与控制系主任徐世杰对记者说，“采用这种轨道，和我们国家的测控能力有关。”
    徐世杰说，即便动用了欧洲和国内最好的探测资源，在某一段时间内，覆盖面也比较有限，因而，更多的绕地飞行安排有助于更好地测控。
    此前，这位专家做客网易时介绍，每一次都要加速，都能检验火箭的偏差有多大，每次加速时发动机的偏差，包括飞行方向，控制系统，有多种测量数据，这样对轨道的精度确定比较高。
    这些调整使误差得以尽早被修正，并且测控时有多个轨道弧线，对嫦娥一号测控精度也会提高，技术上可靠性就更高。
    要精准抵达环月轨道，必须精确找到奔月口，“差之毫厘，谬以千里”。孙家栋透露，确定进入奔月口的时间是31日。这是嫦娥奔月的第一道险关，只有在这个点上出发，才能按照原初计划抵达月球。
    最初确立的35分钟的发射窗口——火箭发射最迟不能超过35分钟，同样是为了更精确地抵达奔月点。

漫长的飞行
    因为月球也在运动，“假设嫦娥一号先到，月亮没到，它自己就飞过去了……”
    10月31日，嫦娥一号将从环地48小时轨道进入奔月之旅出发点——奔月口。它将在这里结束环绕地球的旅程，然后以每秒10.9公里的速度挣脱地球引力，踏上奔月“高速公路”。
    孙家栋说，因为月球也在运动，“假设嫦娥一号先到，月亮没到，它自己就飞过去了，月球抓不住它；到晚了，根本见不到月球。”
    能否进入奔月点，对嫦娥一号来说生死攸关，此前绕地飞行的点都可以调整，但奔月点没有，具有惟一性和不可重复性，“开弓没有回头箭”。
    如果出现失误，它将面临两种可能：进入错误的奔月轨道，走了歪路；或者再绕地球一圈，走了冤枉路，回来时月球已不在那里了。
    按照原初构想，离开奔月点之后的大弧线轨道，是嫦娥一号正式向月球进军的路径。真正的奔月之旅。
    这将也是中国航天器飞行最远的距离，38万公里。此前，中国的卫星最远是8万公里左右。
    孙家栋介绍，此间飞行时间约为5天，嫦娥一号将进行两至三次变轨，分别为进入奔月轨道的第一天和第四天。中间第二天根据实际情况，决定是否需要进行第三次调整。
    在最初的轨道设计中，就确定对轨道进行两次拼接。孙家栋介绍，另外一次拼接将按当时探测的情况而定，用来修正此前积累下来的误差等。

三次“点刹”
    奔月通道尽头，嫦娥一号将要进行“三次刹车”，才能减速以免被月球引力场捕获，进入月球轨道。
    飞越了38万公里的漫长路途，奔月通道尽头，第二个重要关口等着嫦娥一号去穿越。
    10月22日，总装备部副部长、嫦娥工程领导小组副组长张建启接受《京华时报》采访时称，卫星要准备刹车，进入月球轨道的日期是11月5日，“这一点一定要成功，否则卫星也可能丢失。”
    “可能刹不住，也可能刹住了方向不对。”龙乐豪对南方周末分析，“到月球时该刹车时没刹，可能撞上月球，也可能从月亮旁边飞走。”
    奔月过程中，嫦娥一号会逐渐减速。按照预定方案，速度将由原来的每秒10.9公里，减少到每秒2.4公里，并以这个速度进入月球轨道。
    高度是200公里的话，每秒2.4公里的速度，“月球根本抓不住它。”孙家栋说，“根据测算，嫦娥一号平均速度不能超过1.6公里，才能被月球引力场捕获。”
    因此，接下来的减速过程刹车，是嫦娥一号能否成功进入的关键。对此，专家们研究出的控制方案是，嫦娥一号将在这里安排“三次刹车”，其中，第一次近月制动尤为关键。
    这个三次制动的过程，类似开车时一次一次轻轻踩刹车板，而不是一次刹车。
    为什么不一次到位呢？
    跟绕地的变轨设计一样，近月制动同样是一个谨慎的方案。一次刹车将耗费更多的燃料，发动机承受的负荷很重，潜在风险大于多次刹车。美国和日本都是采取这种方法探月。
    孙家栋说，这次刹车将决定嫦娥一号最终能否成功。“不仅是对轨道的考验。在38万公里那么远的地方，如何传输信号，发出指令并控制飞行，是中国以前从来没做过的。”
    嫦娥一号进入月球轨道的第一个轨道是椭圆形的，近月点200公里，远月点则很远，绕月周期为12个小时。
    两次刹车后，轨道也逐步由周期为12小时的环月椭圆轨道，经三次调整，变为周期为127分钟的环月圆轨道，并且经过月球极地上方。
    张建启透露说，如果一切顺利，可以宣布嫦娥探测工程成功的日期大概是11月7日。

中国深空探索起步
    “不管怎样，中国都要向遥远的方向去走了。”
    嫦娥一号是一个宏大计划的开始。
    2000年11月22日，中国政府首次公布《中国的航天》白皮书，明确指出将“开展以月球探测为主的深空探测的预先研究”。中国宣告走近深空探测。
    按照中国的设想，探月工程分为三步，第一步为“绕”，突破至地外天体的飞行技术并实现首次绕月飞行。
    第二、三步分别为“落”和“回”，突破在地外天体上实施软着陆技术和返回器自动返回地球的技术。
    深空探测作为人类进行航天活动的三大领域中的一种，目前各个领域和各个国家缺乏统一的标准，比如，航天和天文的标准就完全不同。
    月球到底算不算深空？学术上有不同说法。孙家栋认为这些争论没有意义，他更看重的，是中国跨出了远距离探测的重要一步。
    轨道问题的设计和控制，只是发射嫦娥一号所要克服的技术难关之一。中国绕月探测工程首席科学家、中国科学院院士欧阳自远曾表示，探月领域内，另外几个难关的解决同样举足轻重：
    ——三体定向问题。卫星对地球观察是两体定向，即太阳帆板对太阳，观察设备和测控通讯设备定向地球。但绕月卫星是三体定向，太阳帆板对太阳，观察设备对月球，测控和通讯设备对地球，问题复杂得多。
    ——测控问题。地月相距38万公里，而中国没有深空测控站，如何保持远距离测控？如果卫星不听话怎么办？如何组建地面站？在这一点上，中国主要依靠原有的测控系统，但是依托这个毕竟有限。这次卫星发射，又增加了一套系统，用了4个全国最大的射电望远镜，辅助原有的测控系统。
    ——温度控制。如何让卫星适应月球昼夜300度的温差？如何让它在太阳、地球、月亮变动不居的相互关系中做到“不冷又不热”？
    对于本次绕月计划，孙家栋有一套朴素的看法。“不管怎样，中国都要向遥远的方向去走了。”“工程有工程的目标，使中国航天更上一个台阶。”
    在他看来，发射一个8万公里的或10万公里的地球卫星没有意义，要离开地球。但是，“地球之外，离我们最近的是哪个？月球。”
    孙家栋说，工程上的突破，这是第一件事情，至于是否成功，得靠将来的事实，来证实原来的想象。“嫦娥一号的绕月，是深空探测的起步。”孙家栋说，“嫦娥一号将启动后来的月球探测体系和深空探测。”