印度月船三號(hào)探測(cè)器發(fā)射已經(jīng)一周了，探測(cè)器入軌初始軌道近地點(diǎn)138公里，遠(yuǎn)地點(diǎn)36306公里同步衛(wèi)星距地高度，計(jì)劃軌道近地點(diǎn)170公里，遠(yuǎn)地點(diǎn)36500公里，近地點(diǎn)偏差32公里，遠(yuǎn)地點(diǎn)偏差194公里。中國網(wǎng)友開始嘲笑這個(gè)偏差，其實(shí)沒必要。
月船三號(hào)發(fā)射任務(wù)中火箭與航天器的分離
航天發(fā)射軌道偏差是大概率事件，如今我國航天發(fā)射軌道偏差通常可以保證在千米的范圍內(nèi)，有時(shí)甚至可以控制在十幾米甚至幾米以內(nèi)。比如天舟一號(hào)的軌道高度偏差只有14米，后來的載人飛船軌道偏差也只有10米以內(nèi)，這已經(jīng)是極高的精度了。不過這種高精度并不是一蹴而就的，而是一個(gè)發(fā)展的過程，這個(gè)過程當(dāng)中也有過挫折。
比如，中星九號(hào)A通信衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)距今僅6年，衛(wèi)星預(yù)定初始遠(yuǎn)地點(diǎn)高度為41991公里，但由于當(dāng)時(shí)火箭上面級(jí)出現(xiàn)運(yùn)行異常，衛(wèi)星實(shí)際遠(yuǎn)地點(diǎn)高度只有16420公里，偏差了2.5萬多公里，這一偏差幾乎是嫦娥三號(hào)的129倍。據(jù)當(dāng)時(shí)負(fù)責(zé)軌道控制任務(wù)的一線工程師孫守明介紹，如此大的偏差，在國際同步衛(wèi)星發(fā)射史上并不常見。
中星9A衛(wèi)星
中星9A衛(wèi)星發(fā)射畫面
最終，中星九號(hào)甲經(jīng)過16天的10次點(diǎn)火和變軌，進(jìn)入預(yù)定軌道。這些變軌都是通過消耗衛(wèi)星自身攜帶的燃料完成的。雖然最終成功入軌，但大量燃料的消耗勢(shì)必會(huì)大大縮短衛(wèi)星在軌使用壽命。最終，中星九號(hào)甲僅服役4年后就正式脫離軌道，結(jié)束了它的使命。其原設(shè)計(jì)壽命為15年。
中星九號(hào)甲通過自救，盡可能的將損失降到最低，但中星九號(hào)甲發(fā)射后的第二年，我國航天事業(yè)卻險(xiǎn)些遭遇重大挫折：嫦娥四號(hào)任務(wù)。
如今，嫦娥四號(hào)任務(wù)光環(huán)重重，是迄今為止人類航天史上唯一一次在月球背面軟著陸的探測(cè)任務(wù)。探測(cè)器由著陸器和月球車兩部分組成。其中，“玉兔二號(hào)”月球車也是人類在月球表面部署時(shí)間最長的巡視探測(cè)月球車，這輛月球車在月球上每分每秒都在打破人類的記錄。
嫦娥四號(hào)著陸器
嫦娥四號(hào)將玉兔二號(hào)月球車部署至月球背面
然而光環(huán)背后也有波折。那一年，搭載嫦娥四號(hào)探測(cè)器的長征三號(hào)乙改三型姚三十火箭順利完成發(fā)射階段任務(wù)，探測(cè)器順利進(jìn)入預(yù)定軌道。當(dāng)我們看到探測(cè)器與火箭分離那如夢(mèng)似幻的畫面時(shí)，我們一定想到，月球之旅一定是一帆風(fēng)順的。
嫦娥四號(hào)發(fā)射任務(wù)中飛船與火箭分離
然而……飛船與火箭分離后不久，嫦娥四號(hào)就出現(xiàn)了燃料泄漏，用葉培建院士的話來說，“嚇?biāo)牢覀兞恕薄?span style="display:none">GfQ物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
飛船與火箭分離后，嫦娥四號(hào)執(zhí)行完某個(gè)動(dòng)作沒多久，突然發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的兩個(gè)閥門突然打開了，本來是不應(yīng)該打開的。雖然后來閥門及時(shí)關(guān)閉了，但是從打開到關(guān)閉之間，間隔了二十秒的時(shí)間。千萬別小看這二十秒，在這時(shí)間里，嫦娥四號(hào)向太空釋放了近二十公斤的燃料。
嫦娥四號(hào)地面組裝屏幕
燃油泄漏很快導(dǎo)致了三個(gè)致命的問題：
1、嫦娥四號(hào)有四個(gè)燃料箱，此次泄漏是其中一個(gè)燃料箱，導(dǎo)致探測(cè)器姿態(tài)平衡出現(xiàn)問題。嫦娥四號(hào)沒有驅(qū)動(dòng)輪，其姿態(tài)控制完全依賴姿控發(fā)動(dòng)機(jī)，一旦探測(cè)器姿態(tài)不平衡，姿控發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)工作，持續(xù)消耗燃料；
2. 發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)兩個(gè)閥門無控制打開，在后續(xù)動(dòng)作中，是否還能有控制地打開或關(guān)閉？如不能，應(yīng)如何處理？
3、嫦娥四號(hào)在飛船與火箭分離后不久就出現(xiàn)了燃料泄漏，結(jié)合問題1中的燃料消耗問題，后續(xù)的月球飛行和著陸階段是否還有足夠的燃料？
憑借長征三號(hào)乙改進(jìn)型三號(hào)火箭強(qiáng)大的深空軌道運(yùn)載能力，我們可以把三四噸重的探測(cè)器直接送入地月轉(zhuǎn)移軌道，這與印度的月船二號(hào)、三號(hào)不同，后者需要繞地球加速進(jìn)入月球軌道。我們的火箭雖然運(yùn)載能力更強(qiáng)，但也面臨著更復(fù)雜的探測(cè)器設(shè)計(jì)問題。
搭載嫦娥四號(hào)探測(cè)器的長征三號(hào)乙改三火箭點(diǎn)火發(fā)射
和月船三號(hào)相比，嫦娥四號(hào)是一體化設(shè)計(jì)，著陸器既是地月轉(zhuǎn)移飛行的推進(jìn)艙，也是登月階段的著陸器；而月船三號(hào)則不同，地月轉(zhuǎn)移飛行是推進(jìn)艙的任務(wù)，登月階段是著陸器的任務(wù)。
嫦娥四號(hào)與月船三號(hào)對(duì)比圖
嫦娥四號(hào)著陸器既是著陸器，又是地月轉(zhuǎn)移階段的推進(jìn)艙。
顯然，嫦娥四號(hào)能力更強(qiáng)，但肩上扛起的重?fù)?dān)也很重要。發(fā)射入軌初期，就有20公斤燃料泄漏。接下來會(huì)發(fā)生什么？嫦娥四號(hào)的一體化設(shè)計(jì)，意味著嫦娥四號(hào)的每一個(gè)動(dòng)作都是雙贏的，泄漏的燃料必然會(huì)影響后續(xù)的登月任務(wù)，這和月船三號(hào)的分體設(shè)計(jì)不同，即使推進(jìn)艙內(nèi)的燃料消耗過多，只要能到達(dá)月球軌道，就不會(huì)影響著陸器的著陸。
嫦娥四號(hào)飛船與火箭分離后，還有后續(xù)近月制動(dòng)、月球軌道變換、動(dòng)力減速等動(dòng)作，每個(gè)動(dòng)作都要消耗大量燃料，比如近月制動(dòng)階段，發(fā)動(dòng)機(jī)要持續(xù)點(diǎn)火近6分鐘；而登月階段，哪怕少1公斤燃料，也必然導(dǎo)致登月失敗，如果登月失敗，也意味著嫦娥四號(hào)任務(wù)整體失敗。
嫦娥四號(hào)原本是嫦娥三號(hào)的備份探測(cè)器，其作用是在嫦娥三號(hào)出現(xiàn)故障時(shí)，短時(shí)間內(nèi)替代嫦娥三號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)月球軟著陸任務(wù)的突破。
嫦娥三號(hào)按計(jì)劃完成登月任務(wù)，成功將玉兔號(hào)月球車釋放至月面，實(shí)現(xiàn)了月面巡邏技術(shù)的重大突破。
嫦娥三號(hào)著陸器拍攝玉兔號(hào)月球車在月球上行駛的照片
然而，玉兔號(hào)月球車完成與著陸器合影任務(wù)后不久，霍爾器件供電電路發(fā)生短路，導(dǎo)致電源電壓下降，月球車無法正常行駛，最終月球車在月面行駛里程定格在114.8米。
據(jù)葉培建院士介紹，嫦娥四號(hào)原本計(jì)劃不搭載月球車，是因?yàn)橐獮槌晒Φ顷懺虑虮趁孢@個(gè)主要任務(wù)預(yù)留更多的資源，比如增加著陸器重量、提供電源等，而這些重量資源顯然是用來搭載更多燃料的。
嫦娥四號(hào)預(yù)選著陸區(qū)為月球背面南極—艾特肯盆地馮·卡門撞擊坑。要在此著陸，著陸器必須穿越4000米高的山地地形。加上盆地深度，總高差近1萬米，比地球上的珠穆朗瑪峰還要高。這要求著陸器在數(shù)千米的高空呈垂直下降姿態(tài)，燃料消耗也將遠(yuǎn)大于嫦娥三號(hào)。
嫦娥四號(hào)在月球著陸階段將經(jīng)歷10,000米的高度差
根據(jù)上述任務(wù)要求，不攜帶月球車是合乎邏輯的。
然而，在玉兔號(hào)月球車上遭遇挫折的科研人員卻很不甘心放棄，都想在嫦娥四號(hào)月球探測(cè)任務(wù)上再接再厲。最終，經(jīng)過他們的努力，任務(wù)組總體上同意了他們的要求，通過增加7500N可變推力發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖、減輕各部件的重量，滿足了著陸器增加燃油消耗的需求。
承載著萬眾期待的嫦娥四號(hào)在發(fā)射入軌之初就遭遇了事關(guān)生死的重大挫折，任務(wù)團(tuán)隊(duì)的壓力可想而知，記得嫦娥四號(hào)入軌之后整個(gè)媒體圈一片沉寂，也找不到后續(xù)的進(jìn)展報(bào)道，直到成功進(jìn)入月球軌道后才有了任務(wù)的進(jìn)展報(bào)道，而當(dāng)時(shí)外界并不知道嫦娥四號(hào)到底發(fā)生了什么，這樣的安排也是為了減輕任務(wù)團(tuán)隊(duì)的心理壓力。
嫦娥四號(hào)是如何克服困難最終到達(dá)月球并隨后成功登陸月球的？
相對(duì)于探測(cè)器的總?cè)剂狭縼碚f，20公斤的燃料泄漏量看似并不多，但經(jīng)過任務(wù)團(tuán)隊(duì)的計(jì)算，這個(gè)泄漏量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了設(shè)計(jì)容忍度，這意味著，如果后續(xù)動(dòng)作按部就班地進(jìn)行，嫦娥四號(hào)將無法確保安全登月，該怎么辦？
當(dāng)時(shí)有人提出拆東墻補(bǔ)西墻的辦法，就是把登陸任務(wù)的燃料省下來10公斤，用于地月轉(zhuǎn)移飛行。這個(gè)辦法很快就被否決了，因?yàn)檎缟衔乃f，登月任務(wù)的燃料需求量巨大，而且登月的成敗關(guān)乎整體任務(wù)，容不得半點(diǎn)閃失。
嫦娥四號(hào)在距月面5000多米的高度轉(zhuǎn)為垂直下降。
在燃料泄漏報(bào)告?zhèn)鞒龊蟛坏絻尚r(shí)，軌道組迅速制定了基于聯(lián)合優(yōu)化控制技術(shù)的軌道重建方案，取消了地月轉(zhuǎn)移過程中的推力校準(zhǔn)，以節(jié)省燃料。
航天器推力校準(zhǔn)通常是必不可少的關(guān)鍵步驟，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的地面數(shù)據(jù)和在軌數(shù)據(jù)都有差異，沒有在軌推力校準(zhǔn)，軌道精度就無法保證，對(duì)于嫦娥四號(hào)來說，還有撞擊月球的風(fēng)險(xiǎn)。
由于缺乏推力校準(zhǔn)，7500N可變推力發(fā)動(dòng)機(jī)在軌實(shí)際推力數(shù)據(jù)無法掌握，點(diǎn)火正時(shí)、近月制動(dòng)時(shí)間只能根據(jù)地面數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這必然會(huì)產(chǎn)生偏差。為了避免撞月，設(shè)計(jì)人員將初始月球軌道由原來的近地點(diǎn)100公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)100公里調(diào)整為近地點(diǎn)100公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)430公里，為推力偏差留出了足夠的安全距離。
繞月飛行
在這個(gè)方案的幫助下，嫦娥四號(hào)最終成功進(jìn)入月球軌道，并且在完成登月任務(wù)后同步衛(wèi)星距地高度，著陸器還剩余3公斤燃料。
一方面說明我們的嫦娥四號(hào)有很強(qiáng)的冗余能力，另一方面也說明在登月階段遇到故障后，去掉10公斤燃料的決定是正確的。
如果采用拆東墻補(bǔ)西墻的方法，那么我們?cè)诘窃码A段的燃料缺口至少會(huì)達(dá)到7公斤，甚至更多，因?yàn)槿绻贿M(jìn)行軌道重建，地月轉(zhuǎn)移時(shí)使用的燃料量會(huì)更大，登月階段的燃料缺口自然也會(huì)更大，結(jié)果可想而知。
嫦娥四號(hào)著陸器落月后仍剩余3公斤燃料
回到嫦娥三號(hào)，雖然探測(cè)器入軌出現(xiàn)了較大偏差，但與嫦娥四號(hào)遭遇的燃料泄漏故障相比，顯然要輕得多。
此外，關(guān)于月船三號(hào)，有必要明確以下幾點(diǎn)：
月船三號(hào)初始軌道近地點(diǎn)比設(shè)計(jì)軌道低了32公里，只有138公里，距離卡門線也只有38公里，很多人說如果不盡快提高軌道，難道它短時(shí)間內(nèi)還要重新進(jìn)入地球大氣層？
不是，月船三號(hào)的初始軌道是大橢圓軌道，遠(yuǎn)地點(diǎn)雖然也有偏差，但也還是3.63萬公里。橢圓軌道通常“遠(yuǎn)點(diǎn)慢，近點(diǎn)快”，意味著近地點(diǎn)速度較大，軌道高度不易衰減，與近地圓軌道航天器較高的高度衰減速度完全不同。
月船三號(hào)每次變軌都是為了升高軌道，然后逐漸接近月球。但為什么第二次變軌時(shí)，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度不但沒有升高，反而降低了呢？第一次變軌后的遠(yuǎn)地點(diǎn)高度為41762公里，而第二次變軌后的遠(yuǎn)地點(diǎn)高度為41603公里，降低了159公里。這是為什么呢？
因?yàn)檫@次變軌主要是為了抬高嫦娥三號(hào)的近地點(diǎn)高度，第一次變軌后的近地點(diǎn)高度是173公里，第二次變軌后的近地點(diǎn)高度是226公里，這次近地點(diǎn)抬高了53公里，這是第二次變軌的主要目的。
根據(jù)軌道力學(xué)原理，航天器在遠(yuǎn)地點(diǎn)開機(jī)，近地點(diǎn)升空。航天器在近地點(diǎn)開機(jī)，遠(yuǎn)地點(diǎn)升空。
正常情況下，嫦娥三號(hào)應(yīng)該在近地點(diǎn)啟動(dòng)，提高遠(yuǎn)地點(diǎn)高度，進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道。但由于入軌后軌道初始近地點(diǎn)高度過低，不能滿足地月轉(zhuǎn)移要求，因此需要在遠(yuǎn)地點(diǎn)啟動(dòng)第二次變軌，提高近地點(diǎn)高度。至于遠(yuǎn)地點(diǎn)高度降低，可能是推力偏差導(dǎo)致的，但還是正常的。
月船三號(hào)下次還會(huì)進(jìn)行額外的變軌嗎？這個(gè)還不確定，有兩種可能，一是增加變軌次數(shù)，畢竟第二次變軌是額外任務(wù)，遠(yuǎn)地點(diǎn)還沒升上去；還有一種可能，就是后面每次變軌都增加高度增幅，這樣就不用進(jìn)行額外的變軌了。
無論采用哪種方法，都是圍繞如何節(jié)省燃料展開的。
月船三號(hào)變軌任務(wù)增多，必然帶來燃料消耗的增加，這是否會(huì)導(dǎo)致月船三號(hào)登月燃料短缺？
不是，因?yàn)榈卦罗D(zhuǎn)移飛行要消耗推進(jìn)艙的燃料，而用于登月的著陸器卻不消耗燃料。
推進(jìn)艙運(yùn)載著陸器（-3）
印度任務(wù)團(tuán)隊(duì)早已預(yù)見到了推進(jìn)艙的意外燃料消耗。月船三號(hào)是月船二號(hào)的復(fù)制品，其推進(jìn)艙既是地月轉(zhuǎn)移飛行的主控制艙，也是一顆高價(jià)值的月球探測(cè)衛(wèi)星，配備了比美國宇航局的LRO月球軌道器分辨率更高的高分辨率相機(jī)。
雖然月船二號(hào)未能成功登陸月球，但其推進(jìn)模塊作為一顆高價(jià)值的月球衛(wèi)星還是成功的，目前仍在軌道運(yùn)行，還拍攝了阿波羅登月點(diǎn)的照片，分辨率比 NASA 還高。
月船二號(hào)推進(jìn)艙（軌道器）拍攝的阿波羅12號(hào)登月現(xiàn)場(chǎng)（可見登月艙下降段和月球表面活動(dòng)痕跡。）
由于月船二號(hào)月球軌道器目前仍在正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此在設(shè)計(jì)之初就決定月船三號(hào)推進(jìn)艙不再搭載大型科學(xué)探測(cè)載荷，額外的重量資源將使推進(jìn)艙能夠搭載更多燃料。
據(jù)透露，嫦娥三號(hào)攜帶的額外燃料可使變軌次數(shù)增加兩到三次，因此即便存在初始軌道偏差較大的問題，對(duì)保證后續(xù)地月轉(zhuǎn)移飛行也不存在難以逾越的障礙。
月船三號(hào)任務(wù)的最大亮點(diǎn)是著陸器登陸月球并釋放月球車。
嫦娥四號(hào)和月船三號(hào)都是兩國航天事業(yè)的里程碑，雙方為此做出的努力和貢獻(xiàn)值得尊重。
回顧我國嫦娥四號(hào)任務(wù)，在完成登月任務(wù)后，飛控大廳里出現(xiàn)了這樣的一幕：
葉培建院士拍了拍嫦娥四號(hào)探測(cè)器項(xiàng)目執(zhí)行主任張輝，張輝因?yàn)榘l(fā)射當(dāng)天的燃料泄漏當(dāng)即淚流滿面，這是歷經(jīng)磨難與輝煌之后的一種壓力釋放。
“認(rèn)真、周到、細(xì)致、安全可靠、萬無一失”是我國航天的16字方針，生動(dòng)詮釋了航天任務(wù)的高風(fēng)險(xiǎn)性。這種高風(fēng)險(xiǎn)貫穿了整個(gè)過程，不到最后一刻才能分出勝負(fù)。這也正是太空探索的魅力所在。
我們?cè)陉P(guān)注國外航天任務(wù)時(shí)，也需要更加理性，既可以借鑒他們的成功經(jīng)驗(yàn)，也可以從他們的失敗中汲取教訓(xùn)，比如當(dāng)國外航天任務(wù)失敗時(shí)，國內(nèi)任務(wù)團(tuán)隊(duì)也會(huì)進(jìn)行自我反省、舉一反三……
為什么我國這些年在月球、火星太空探索上幾乎無往不利呢？原因就在于我們擁有更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，以開放的心態(tài)汲取人類太空探索的養(yǎng)分。唯有如此，我們才能穩(wěn)步前行，不斷從勝利走向新的勝利。
