兩年前，中國“牧星人”救回一顆重磅衛(wèi)星

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成就之一。這項由中國自主建設(shè)、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在維護國家安全、服務(wù)經(jīng)濟社會發(fā)展方面發(fā)揮了不可替代的作用。從1994年正式啟動至2020年全面建成，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)耗時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)成功率達到100%。

驚心動魄的5分鐘

2020年3月9日19時55分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，運用長征三號乙運載火箭，將北斗三號GEO-2衛(wèi)星順利送入近地點200余公里，遠地點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。作為北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的第29顆衛(wèi)星，北斗三號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。按照計劃，北斗三號GEO-2衛(wèi)星在進入大橢圓軌道后，將實施數(shù)次變軌，逐步抬升衛(wèi)星軌道近地點的高度，降低軌道傾角。最終目標是讓衛(wèi)星進入距離地球3.6萬余公里的地球靜止軌道。

在發(fā)射第二天進行的首次變軌中,一切如常，但在實痼第二次變軌過程中，意外發(fā)生了。在衛(wèi)星主發(fā)動機持續(xù)點火十幾分鐘后，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，有一個干擾力矩導(dǎo)致衛(wèi)星的姿態(tài)出現(xiàn)擾動?！蔽靼残l(wèi)星測控中心高級工程師王鑫告訴《環(huán)球時報》記者，這就好比一個人本來站姿端正，卻突然出現(xiàn)一股外力，把這個人向左邊猛推一下，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)會導(dǎo)致星上的器件受損，以至于徹底無法工作，更嚴重的是可能會造成衛(wèi)星與地面之間的通信中斷，導(dǎo)致地面無法對衛(wèi)星進行監(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)，會有飛控團隊和衛(wèi)星研制方的技術(shù)團隊共同執(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)團隊雖然也在西安衛(wèi)星測控中心，但出于疫情防控要求，兩個團隊只能分散于兩個工作廳內(nèi)執(zhí)行此次任務(wù)，在衛(wèi)星突發(fā)故障的危急時刻無法面對面分享數(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，在那個千鈞一發(fā)的時刻，這無疑給應(yīng)急處置增添了難度。

面對大紅屏上顯示衛(wèi)星干擾力矩數(shù)據(jù)持續(xù)加大的危險局面，地面飛控人員通過研判后決定為衛(wèi)星設(shè)置一個臨界參數(shù)，一旦衛(wèi)星姿態(tài)異變的參數(shù)達到這個值，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)動機，確保衛(wèi)星的安全?！爱敃r的情況是：如果衛(wèi)星姿態(tài)異變參數(shù)超過這個臨界點，衛(wèi)星就有可能會失聯(lián)、失控，在那之前如果我們還沒有實施主發(fā)動機關(guān)機，那么衛(wèi)星就再也無法接受指令實施關(guān)機了，最終衛(wèi)星處于什么狀態(tài)，飛到了哪個地方我們都無法知道?！蓖貊谓榻B稱，因為當時衛(wèi)星的動力系統(tǒng)中只有主發(fā)動機在工作，因此大家初步研判應(yīng)該是衛(wèi)星的主發(fā)動機出'現(xiàn)問題才導(dǎo)致衛(wèi)星姿態(tài)的異變，-旦關(guān)閉主發(fā)動機，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)到達臨界點，地面人員緊急發(fā)送指令實施衛(wèi)星主發(fā)動機關(guān)機。關(guān)機后，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。作為北斗三號衛(wèi)星系統(tǒng)中功能最多、信號最多、體形最大、壽命最長的一型衛(wèi)星，北斗三號GEO軌道衛(wèi)星的造價自然不菲，如果因為主發(fā)動機故障導(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)濟損失。

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

面對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，并進入安全工作模式，隨后就開始同衛(wèi)星研制方的技術(shù)團隊一起對衛(wèi)星異常的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)開展細致分析，試圖盡快定位衛(wèi)星的故障點。

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行“復(fù)盤”性質(zhì)的試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星之所以出現(xiàn)姿態(tài)失控，是因為主發(fā)動機噴管的喉部出現(xiàn)了燒蝕現(xiàn)象?！巴ㄋ锥跃褪切l(wèi)星主發(fā)動機噴管的喉部燒出了一個洞，這就會導(dǎo)致發(fā)動機的推力不穩(wěn)定，燒穿的地方漏出的工質(zhì)對衛(wèi)星的姿態(tài)造成了擾動，導(dǎo)致衛(wèi)星姿態(tài)異變，王鑫稱。

彼時，衛(wèi)星滯留在近地點高度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)星自身的動力系統(tǒng)將近地點高度再抬升3萬余公里。由于此前的變軌方案都是圍繞衛(wèi)星主發(fā)動機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燃衛(wèi)星主發(fā)動機，按原計劃實施變軌。

但有另一種聲音卻認為，因為衛(wèi)星主發(fā)動管的燒蝕點始終會產(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)有可能會對離噴管較近的星上部件造成損害，這個方案風險太大。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)動機，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施更多次變軌。

然而這種方案在實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，隨時掌握衛(wèi)星狀態(tài)，及時發(fā)送指令精準實施衛(wèi)星推力器開關(guān)機尤為關(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，無法實現(xiàn)衛(wèi)星在軌運行的全弧段測控，因此在衛(wèi)星變軌點的選擇上，除了要盡量靠近變軌時最”省時省力”的軌道遠地點之外，變軌點還必須在我們的測控范圍內(nèi)。

此外，在這個更為復(fù)雜的變軌過程中，還需要盡量節(jié)省衛(wèi)星燃料，減少對衛(wèi)星姿軌控推力器壽命的影響?！斑@就需要我們制定合理的點火策略，優(yōu)化衛(wèi)星燃料消耗、點火軌道位置和點火弧段，在不同的變軌點采用不同推力器組合實施點火，這樣才能規(guī)避因為執(zhí)行應(yīng)急變軌任務(wù)，對衛(wèi)星姿軌控推力器的超壽使用。”王鑫稱。

在綜合考慮到各種因素后，經(jīng)過任務(wù)團隊細致計算，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長，調(diào)整好推力器噴氣方向。在經(jīng)過試點火，確認每套推力器組合都能確保衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)定后，最終開始實施這場扣人心弦的變軌計劃。

3月28日，在耗時近20天，實施近20次精確變軌后，北斗三號GEO-2衛(wèi)星最終依靠星上十余臺姿軌控推力器，實現(xiàn)了持續(xù)抬升軌道高度，逐漸壓低軌道傾角，順利定點于離地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)并未對衛(wèi)星的設(shè)計使用壽命造成明顯影響。王鑫介紹稱，得益于衛(wèi)星研制團隊的冗余設(shè)計衛(wèi)星實際攜帶的燃料量以及星上器件的實際使用年限都超過設(shè)計使用年限，“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，價值也越來越大，作為中國太空資產(chǎn)最為堅實的守護者，西安衛(wèi)星測控中心“牧星人”團隊不辱使命，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)星測控中心正高級工程師楊永安告訴《環(huán)球時報》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)，這些長期在軌運行的衛(wèi)星難免會因為設(shè)備、器件老化等問題出現(xiàn)故障，但憑借出色的運維，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)和勇于擔當?shù)木瘛钣腊脖硎?，在過去十年中，西安衛(wèi)星測控中心開展了多項創(chuàng)新性探索，目前已形成對在軌衛(wèi)星“體檢”“診斷”和“救治”的全流程故障診斷與維修能力。總結(jié)歷年執(zhí)行測控任務(wù)經(jīng)驗所制定的衛(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”團隊在近十年內(nèi)，成功完成包括中星9A、北斗三號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>