印度月船三号偏差百余公里,我国卫星曾偏差2万多公里,别再嘲笑了

印度月船三号探测器自发射以来已经过去了一个星期，该探测器入轨的初始轨道是近地点138公里、远地点36306公里，设计的预定轨道是近地点170公里、远地点36500公里，近地点偏差32公里，远地点偏差194公里。针对这一偏差，我国互联网开启了嘲笑模式，但其实真没必要。

航天发射出现轨道偏差是大概率事件，如今我国航天发射的入轨偏差通常能保证在千米量级范围内，有时甚至能控制在十几米乃至几米量级，比如天舟一号入轨高度偏差仅14米，后来载人飞船入轨偏差更是只在10米以内，这已经属于极高的精度，然而这种高精度不是一蹴而就，也是有一个发展的过程，在这个过程中也曾有挫折。

比如，距今仅有6年时间的中星9A通信卫星发射任务，这颗卫星的预定初始远地点高度是41991公里，但由于当时火箭末级工作异常，导致卫星实际远地点高度仅有16420公里，远地点高度低了2.5万多公里，这一偏差量级几乎是月船三号的129倍，据当时负责轨道控制任务的一线工程师孙守明介绍，如此大的偏差量，在国际同步卫星发射历史上都属罕见。

最终中星9A是在16天时间里通过10次点火变轨才进入到预定轨道，这些变轨都是通过消耗卫星自身携带的燃料完成，虽然最终成功入轨，但大量燃料的消耗势必大幅缩短卫星的在轨服役寿命，最终中星9A在服役仅4年后就正式离轨，结束了自己的使命，而原设计寿命是15年。

中星9A通过自救尽最大可能降低了损失，但就在中星9A发射的次年，我国航天又险些遭遇一次重大挫折，这就是：嫦娥四号任务。

如今的嫦娥四号任务有很多光环，它是人类航天史迄今为止唯一的月球背面软着陆探测任务，该探测器由着陆器与巡视器组成，其中巡视器“玉兔二号”也是人类部署月球表面开展巡视探测时间最长的月球车，这辆月球车在月球上的每分每秒都在刷新着人类纪录。

然而，光环的背后也有曲折。那一年，承载着嫦娥四号探测器的CZ-3B改Ⅲ型遥30火箭顺利地完成了发射阶段任务，探测器也成功进入预定轨道，当我们看到器箭分离的梦幻画面时，想必也会认为此去月球必是一片坦途。

但是……器箭分离不久，嫦娥四号就遭遇了燃料泄漏，用叶培建院士的话说，就是“把我们吓得够呛”。

器箭分离后嫦娥四号在执行某个动作之后没多久，忽然发现与发动机关联的两个阀门突然打开了，这是不该开的，虽然后来阀门及时关闭，但这一开一关之间有二十秒时间，不要小看这二十秒，就这段时间嫦娥四号向太空释放了将近二十公斤燃料。

燃料泄漏很快就牵扯出三个致命问题：

1.嫦娥四号有4个燃料贮箱，泄漏的是其中1个贮箱，这就产生了探测器姿态平衡问题，嫦娥四号没有带动量轮，姿态控制完全依靠姿控发动机，探测器姿态一旦失衡，姿控发动机就会工作，就会持续消耗燃料；

2.与发动机关联的这两个阀门是在不受控制的情况下开启，在后续动作中，它还能受控开启或关闭吗？如果不能，怎么办？

3.嫦娥四号是在器箭分离不久就遭遇燃料泄漏，而且基于问题1的燃料消耗问题，在后续奔月与登月阶段的燃料还够用吗？

凭借CZ-3B改Ⅲ型火箭强大的深空轨道运力，我们可以将三四吨重的探测器直接打入地月转移轨道，这是与印度月船二号、月船三号这种需要绕地球转圈加速切入环月轨道不同，我们火箭能力更强的同时，也要面对更为复杂的探测器设计问题。

嫦娥四号相较于月船三号，前者是一体式设计，着陆器既是地月转移飞行的推进舱，也是登月阶段的着陆器，月船三号则不同，地月转移飞行是推进舱的任务，登月阶段则是着陆器的任务。

显然嫦娥四号的能力更强，但欲戴皇冠必承其重，在发射入轨的初始阶段就泄露了20公斤燃料，后面怎么办？一体式设计的嫦娥四号的每一个动作都是一荣俱荣一损俱损，泄露的燃料势必会影响后续登月任务。这与月船三号的分体式设计不同，即便推进舱燃料消耗过多，只要能到月球环绕轨道，就不会影响着陆器登月。

嫦娥四号器箭分离后，后续还有近月制动、环月变轨，以及动力减速等动作，每个动作燃料消耗量都很大，比如近月制动阶段，发动机要持续点火将近6分钟，到登月阶段哪怕少1公斤燃料，都必然导致登月失败，如果登月失败，也就意味着嫦娥四号任务的整体失败。

嫦娥四号原本是嫦娥三号的备份探测器，作用是在于如果嫦娥三号失败，就用嫦娥四号在短时间内顶替嫦娥三号，以实现月面软着陆任务的突破。

嫦娥三号如期完成了登月任务，而且成功释放玉兔号巡视器至月球表面，又实现了月面巡视技术的突破。

但是，玉兔号月球车在完成与着陆器的两器互拍任务后没多久，就遭遇了霍尔器件供电回路短路故障，导致电源电压降低，月球车无法正常行驶。最终这辆月球车的月面行驶里程定格在了114.8米。

根据叶培建院士披露，原计划嫦娥四号不准备再带月球车，因为要为成功登陆月背这个主要任务预留更多的资源，比如为着陆器增加重量、供电等资源，重量资源显然是为了带更多的燃料。

嫦娥四号的预选着陆区是月球背面南极-艾特肯盆地的冯·卡门撞击坑，要登陆这里就要翻越四千米的高山地形，再加上盆地的深度，整个高差有将近万米，比地球上的珠穆朗玛峰还要高，这就要求着陆器在数千米高空就要呈垂直下降姿态，燃料消耗要比嫦娥三号多得多。

基于上述任务要求，不带月球车也是合乎逻辑的。

但是，遭遇玉兔号月球车挫折的参研人员都很不甘心，都想在嫦娥四号登月任务中再展拳脚，最终经过他们的努力争取，任务总体同意了他们的要求，着陆器更多的燃料用量需求则通过提高7500N变推力发动机的比冲，以及各器件缩减重量来实现。

承载着众多期望的嫦娥四号发射入轨伊始就遭遇悠关生死的重大挫折，任务团队的压力是可想而知的，笔者当时记得，嫦娥四号入轨后整个媒体圈都沉默了，找不到后续进展报道，直到成功进入绕月轨道后才有了任务进展报道，当时外界并不知道嫦娥四号发生了什么事，如此安排也是为了降低任务团队的心理压力。

嫦娥四号是如何克服困难最终抵达月球，后来又成功登月的呢？

20公斤的燃料泄漏量相较于探测器的全部燃料加注量，看上去也不是很多，但是经过任务团队计算，这一泄漏量已经远超设计可承受的余量，意味着如果按部就班地执行后续动作，将无法保证嫦娥四号安全落月。怎么办？

当时有人提出了一个拆东墙补西墙的办法，就是从着陆任务中省出10公斤燃料，用于地月转移飞行。这个办法很快就被否定，原因就是前文表述的此次登月任务燃料需求大，登月成败事关任务全局，容不得半点闪失。

就在燃料泄漏故障通报不到2小时的时间，轨道组很快就拿出了基于联合优化控制技术的轨道重构方案，取消地月转移途中的推力标定，以节省燃料。

航天器推力标定在通常情况下是不可或缺的关键步骤，每台发动机都有地面数据与在轨数据的差异，没有在轨推力标定，就无法保证轨道精度，对于嫦娥四号而言则存在撞击月球的风险。

由于没有推力标定，7500N变推力发动机的在轨实际推力数据就无法掌握，只能基于地面数据设计近月制动的点火时机与点火时间，这就必然存在偏差，为了避免撞击月球，设计人员将绕月初始轨道由原先的近月点100公里、远月点100公里调整为近月点100公里、远月点430公里，这样就为推力偏差留出了足够的安全距离。

在这套方案的保障下，嫦娥四号最终成功进入绕月轨道，且在完成登月任务后，着陆器还剩余3公斤燃料。

一方面说明，我们嫦娥四号强大的冗余能力准备，另一方面也说明，在遭遇故障后，否定从登月阶段拿出10公斤燃料这一决策的正确性。

如果按照拆东墙补西墙的办法，那么在登月阶段我们将至少有7公斤的燃料缺口，甚至更多，因为没有轨道重构，地月转移途中的燃料用量将更大，登月阶段的燃料缺口自然也更大，其结果可想而知。

再回到月船三号，该探测器虽然入轨存在较大偏差，但相较于嫦娥四号曾经遭遇的燃料泄漏故障，显然要轻得多。

另外，关于月船三号有必要澄清以下几点：

月船三号初始轨道近地点比设计轨道低了32公里，仅有138公里，距离卡门线也只有38公里，很多人说，如果不尽快抬升轨道，就会在短时间内再入地球大气层？

非也，月船三号的初始轨道是大椭圆轨道，远地点虽然也有偏差，但也有3.63万公里。椭圆轨道通常是“远慢近快”，意思是近地点速度更大，轨道高度并不容易衰减，这是与近地圆轨道航天器较高的高度衰减速率完全不同。

月船三号每一次变轨都是为了抬升轨道，然后逐步接近月球，为何第二次变轨，远地点高度不升反降，第一次变轨后的远地点高度是41762公里，第二次变轨后的远地点高度则是41603公里，降低了159公里，这是为什么？

因为此次变轨主要是为了抬升月船三号近地点高度，第一次变轨后的近地点高度是173公里，第二次变轨后的近地点高度是226公里，近地点抬升了53公里，这正是第二次变轨的主要目的。

根据轨道力学原理，航天器远地点动力开机，近地点抬升，航天器近地点动力开机，远地点抬升。

正常情况下，月船三号应当是近地点开机，以抬升远地点高度，从而进入地月转移轨道，但由于入轨初始轨道近地点高度较低，不能满足地月转移需求，所以第二次变轨应该是远地点开机，旨在抬升近地点高度，至于远地点高度降低，则可能是推力偏差所致，但仍属正常情况。

接下来月船三号会不会增加额外的变轨次数？这并不一定，有两种可能，一种是增加变轨次数，毕竟第二次变轨属于额外任务，远地点并没有抬升。另一种可能是，增加后续每次变轨的高度抬升量，这样一来就不用增加额外的变轨次数。

无论采取哪种办法，都要围绕着如何节省燃料这点展开。

月船三号变轨任务量的增加，势必导致更多的燃料消耗，这会不会导致月船三号登月燃料紧张？

并不会，因为地月转移飞行消耗的是推进舱燃料，用于登月的着陆器并不消耗燃料。

关于推进舱超预期燃料消耗这件事，印度的任务团队也早有预见。月船三号是月船二号的复制改进版本，月船二号的推进舱既是地月转移飞行的主控舱段，同时也是一颗高价值的绕月探测卫星，它搭载了比NASA的LRO月球轨道勘测飞行器更高分辨率的高分辨率相机。

月船二号虽然登月失败了，但是推进舱作为一颗高价值绕月卫星则是成功的，目前仍在轨运行，还拍摄了阿波罗计划的登月遗址，分辨率比NASA的还要高。

既然月船二号绕月探测器仍在正常工作，所以月船三号推进舱在设计伊始就决定不再携带大量的科学探测载荷，多出来的重量资源就可以让推进舱携带更多的燃料。

据披露，月船三号多带的燃料，可以增加二至三次变轨，由此来看，即便遭遇了初始轨道偏差较大的问题，保障后续地月转移飞行并没有不可逾越的障碍。

嫦娥四号、月船三号，对于两国航天事业而言，都有着里程碑意义，双方的努力与付出都值得尊敬。

回顾我国嫦娥四号任务，在完成登月任务后飞控大厅里曾有这样一幕画面：

叶培建院士拍了拍嫦娥四号探测器项目执行总监张熇，张熇眼泪立刻就下来了，就是因为发射的那天遭遇的燃料泄漏这件事，这是苦难辉煌过后的压力释放。

“严肃认真，周到细致，稳妥可靠，万无一失”，我国航天的16字方针生动诠释了航天任务的高风险，这种高风险是贯穿始终的，不到最后一刻都不能断言胜败，这也正是航天探索的魅力所在。

我们在关注国外航天任务时也需要多一些理性，他们的成功经验我们可以借鉴，他们的失败教训我们也要吸取，比如国外航天任务失败，国内任务团队也会归零自检、举一反三……

为什么近年来我国航天探月登火几乎总是攻无不克战无不胜？原因正是我们有更加严谨的态势，并以海纳百川的心态汲取人类航天的养分，唯有如此才能行稳致远，才能不断地从胜利走向新的胜利。