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2023-01-31
兩年前，中國“牧星人”救回了一顆重磅衛(wèi)星
更新時間：2022-09-30 08:05:41作者：智慧百科
于2020年7月31日宣布全面建成的北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是過去十年中，中國航天最為耀眼的成就之一。這項由中國自主建設、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，在維護國家安全，服務經濟社會發(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)星導航系統(tǒng)耗時26年，共組織了44次北斗發(fā)射任務，先后將59顆北斗衛(wèi)星送入預定軌道，任務成功率達到100％！
舉世矚目的成就背后，除了性能卓越的星與箭，還有一支神秘的“牧星”團隊時刻守護著這座中國迄今為止規(guī)模最大的星座系統(tǒng)。特別是在2020年3月北斗三號GEO-2衛(wèi)星組網部署任務中，這支團隊克服新冠疫情等種種不利因素，在衛(wèi)星突發(fā)故障，面臨失控的局面下，憑借過硬本領，發(fā)揚擔當精神，成功將這顆衛(wèi)星救回并送入預定軌道，確保北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)在當年如期順利建成。作為中國太空資產的守衛(wèi)者，這支默默無聞的團隊也在一次次力挽狂瀾中，踐行著“把光輝融進祖國星座”的偉大精神。
北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)示意圖
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3萬6千余公里的大橢圓軌道，隨著衛(wèi)星太陽能帆板的打開，此次發(fā)射任務取得圓滿成功。作為北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(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僅有一步之遙。接下來只要在當年6月將北斗三號GEO-3衛(wèi)星順利送入預定軌道，北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的部署工作就將圓滿收官。
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5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3萬6千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，但在實施第二次變軌的過程中，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，遙測數據顯示，衛(wèi)星的姿態(tài)突然出現異變的趨勢。“指揮大廳的屏幕上顯示，有一個干擾力矩導致衛(wèi)星的姿態(tài)出現擾動” 西安衛(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)一系列災難性的后果。王鑫介紹稱，衛(wèi)星姿態(tài)不穩(wěn)會導致星上的器件受損，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，導致地面人員無法對衛(wèi)星進行監(jiān)測和控制。
北斗三號GEO-2衛(wèi)星搶救任務現場
面對突發(fā)的異常情況，西安衛(wèi)星測控中心的飛控人員甚至都沒有太多的時間去驚愕和茫然。雖然第一時間并不清楚衛(wèi)星的姿態(tài)為何會突發(fā)異變，但是大家又必須緊急制訂出處置辦法迅速控制衛(wèi)星的姿態(tài)。
通常而言，每一次發(fā)射任務，在西安衛(wèi)星測控中心的指揮大廳內，會有中心的飛控團隊和衛(wèi)星研制方的技術團隊共同執(zhí)行早期的測控任務，以便更好的掌握衛(wèi)星的相關情況和狀態(tài)。但是2020年的3月正值新冠疫情肆虐全國，衛(wèi)星研制方的技術團隊雖然也在西安衛(wèi)星測控中心，但出于疫情防控的要求，兩支團隊只能分散于兩個工作廳內執(zhí)行此次任務，在衛(wèi)星突發(fā)故障的危急時刻無法面對面分享數據，交流想法，只能通過電話和調度人員商討解決措施，在那個千鈞一發(fā)的時刻，這無疑給應急處置增添了難度。
面對大紅屏上顯示衛(wèi)星干擾力矩數據持續(xù)加大的危險局面，地面飛控人員通過研判后決定為衛(wèi)星設置一個臨界參數，一旦衛(wèi)星姿態(tài)異變的參數達到了這個值，地面人員就必須立馬發(fā)送指令緊急關閉衛(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)異變參數超過這個臨界點，衛(wèi)星就有可能會失聯、失控，在那之前如果我們還沒有實施主發(fā)動機關機，那么衛(wèi)星就再也無法接受指令實施關機了，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?！?王鑫介紹稱，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該是衛(wèi)星的主發(fā)動機出現了問題才導致衛(wèi)星姿態(tài)的異變，一旦關閉了主發(fā)動機，衛(wèi)星的姿態(tài)應該能夠穩(wěn)住。
最終，在衛(wèi)星姿態(tài)出現異變情況五分鐘后，異變參數到達了臨界點，地面人員緊急發(fā)送指令實施衛(wèi)星主發(fā)動機關機。關機之后，指揮大廳的大屏幕上很快就顯示衛(wèi)星姿態(tài)異變的趨勢逐漸減緩?！耙簿褪钦f，我們在衛(wèi)星出現異常情況約五分鐘內，初步研判出衛(wèi)星的問題，制定和實施了處置辦法，確保衛(wèi)星沒有完全失控，現在想來這個過程簡直是步步驚心。”王鑫回憶稱。
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、體型最大、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)動機故障導致衛(wèi)星無法爬升到地球靜止軌道，從而失去應有的作用，無疑將造成巨大的經濟損失。
此外，按照北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(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，從而實現北斗三號衛(wèi)星的全球組網。王鑫介紹稱，這個組網計劃十分飽滿，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”在預定的時間內補發(fā)一顆衛(wèi)星補缺。“作為系統(tǒng)全面建成前的倒數第二顆組網衛(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年完成組網的預期目標將難以實現，全面建成北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的相關計劃都將推遲?！?/p>
北斗三號GEO-3衛(wèi)星測控任務現場
面對這樣一顆不容有失的衛(wèi)星，現場這些跟隨北斗工程一路走來的任務人員都不甘于放棄。在化解衛(wèi)星失控的危機之后，地面飛控人員隨即發(fā)送指令讓衛(wèi)星的姿態(tài)逐漸恢復正常，并進入安全工作模式，隨后就開始同衛(wèi)星研制方的技術團隊一起對衛(wèi)星異常的現象和數據開展細致地分析，試圖盡快定位衛(wèi)星的故障點。
結合分析的結果，衛(wèi)星研制方應用衛(wèi)星的鑒定件，通過仿真等手段在地面上進行“復盤”性質的試驗，結果發(fā)現衛(wèi)星之所以出現姿態(tài)失控，是因為主發(fā)動機噴管的喉部出現了燒蝕的現象?！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，這就會導致發(fā)動機的推力不穩(wěn)定，燒穿的地方漏出的工質對衛(wèi)星的姿態(tài)造成了擾動，導致衛(wèi)星姿態(tài)異變?！蓖貊畏Q。
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)動機噴管的燒蝕點始終會產生干擾力矩，影響衛(wèi)星姿態(tài)的穩(wěn)定，而且噴出的工質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的，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的變軌。
然而這種方案在實施的過程中也要面臨多種限制因素。王鑫介紹稱，在衛(wèi)星變軌的過程中，隨時掌握衛(wèi)星的狀態(tài)，及時發(fā)送指令精準地實施衛(wèi)星推力器開關機尤為關鍵，這就需要保證地面與衛(wèi)星之間星地測控鏈路的暢通。但由于我國測控網規(guī)模有限，無法實現衛(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。
此外,在這個更為復雜的變軌過程中，還需要盡量節(jié)省衛(wèi)星的燃料，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的推力器組合實施點火，這樣才能規(guī)避因為執(zhí)行應急變軌任務，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，經過任務團隊中一群“最強大腦”的細致計算，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，調整好推力器噴氣方向。在經過試點火，確認每套推力器組合都能確保衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)定之后，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，實施了近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3萬6千余公里的地球靜止。這顆事關北斗工程建設全局的衛(wèi)星最終被成功救回!
2020年6月30日，北斗三號系統(tǒng)最后一顆組網衛(wèi)星北斗三號GEO-3衛(wèi)星定點成功
更加難能可貴的是，后續(xù)經過西安衛(wèi)星測控中心技術人員的測算，這次意料之外的“救星”任務并未對衛(wèi)星的設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了設計使用年限，“在這場‘救星’任務中我們也制定了最優(yōu)化的變軌策略，盡量縮短衛(wèi)星姿軌控推力器的點火時間，最終所消耗的燃料，以及對推力器所造成的損耗很小，衛(wèi)星的剩余使用壽命依舊能夠大于設計使用壽命。”
燦爛輝煌的十年
“太空資產是國家戰(zhàn)略資產，要管好用好，更要保護好?！痹谶^去的十年中，我國的在軌衛(wèi)星數量越來越多，功能越來越強，價值也越來越大，作為中國太空資產最為堅實的守護者，西安衛(wèi)星測控中心“牧星人”團隊也不辱使命，在浩瀚的宇宙中書寫了更多的“隱秘而偉大”。
“中國衛(wèi)星數量的日益增長，以及太空環(huán)境的愈發(fā)復雜，意味著我們所承擔的任務越來越繁重，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，現如今，西安衛(wèi)星測控中心長期管理的各類衛(wèi)星數量已經達到了三百多顆，其中有三分之一以上的衛(wèi)星處于超期服役狀態(tài)，這些長期在軌運行的衛(wèi)星難免會因為設備、器件老化等問題出現故障，但是憑借出色的運維，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和勇于擔當的精神。楊永安表示，在過去的十年中，西安衛(wèi)星測控中心開展了多項創(chuàng)新性的探索，目前已形成了對在軌衛(wèi)星“體檢”、“診斷”和“救治”的全流程故障診斷與維修能力?？偨Y歷年執(zhí)行測控任務經驗所制定的衛(wèi)星故障分析預案以及搶救預案，能夠處置目前出現的大部分的衛(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，成功完成了包括中星9A，北斗三號GEO-2衛(wèi)星在內的多次衛(wèi)星搶救任務，創(chuàng)造了許多太空奇跡。
西安衛(wèi)星測控中心北斗測控團隊
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。
上世紀七十年代，中國的航天測控網開始建設，一批具有高超學識的青年科技人員參與其中，踏上了我國航天測控事業(yè)轟轟烈烈的建設之路。他們俯身筑國基，妙手織星座，牧星耘天，制勝太空的故事曾是必須深藏的秘密，不可言說，于是被他們奉獻精神所感染的人只能將這份情懷書寫成了一首名為《祖國不會忘記》的歌曲，歌中的那句“不需要你歌頌我，不渴望你報答我，我把光輝融進祖國的星座。”就是許多中國“牧星人”一生的真實寫照。
環(huán)球時報-環(huán)球網報道 記者 樊巍 特約記者 呂炳宏