印度月船三號探測器自發(fā)射以來已經(jīng)過去了一個星期，該探測器入軌的初始軌道是近地點138公里、遠地點36306公里，設(shè)計的預定軌道是近地點170公里、遠地點36500公里，近地點偏差32公里，遠地點偏差194公里。針對這一偏差，我國互聯(lián)網(wǎng)開啟了嘲笑模式，但其實真沒必要。
月船三號發(fā)射任務的器箭分離畫面
航天發(fā)射出現(xiàn)軌道偏差是大概率事件，如今我國航天發(fā)射的入軌偏差通常能保證在千米量級范圍內(nèi)，有時甚至能控制在十幾米乃至幾米量級，比如天舟一號入軌高度偏差僅14米，后來載人飛船入軌偏差更是只在10米以內(nèi)，這已經(jīng)屬于極高的精度，然而這種高精度不是一蹴而就，也是有一個發(fā)展的過程，在這個過程中也曾有挫折。
比如，距今僅有6年時間的中星9A通信衛(wèi)星發(fā)射任務，這顆衛(wèi)星的預定初始遠地點高度是41991公里，但由于當時火箭末級工作異常，導致衛(wèi)星實際遠地點高度僅有16420公里，遠地點高度低了2.5萬多公里，這一偏差量級幾乎是月船三號的129倍，據(jù)當時負責軌道控制任務的一線工程師孫守明介紹，如此大的偏差量，在國際同步衛(wèi)星發(fā)射歷史上都屬罕見。
中星9A衛(wèi)星
中星9A衛(wèi)星發(fā)射畫面
最終中星9A是在16天時間里通過10次點火變軌才進入到預定軌道，這些變軌都是通過消耗衛(wèi)星自身攜帶的燃料完成，雖然最終成功入軌，但大量燃料的消耗勢必大幅縮短衛(wèi)星的在軌服役壽命，最終中星9A在服役僅4年后就正式離軌，結(jié)束了自己的使命，而原設(shè)計壽命是15年。
中星9A通過自救盡最大可能降低了損失，但就在中星9A發(fā)射的次年，我國航天又險些遭遇一次重大挫折，這就是：嫦娥四號任務。
如今的嫦娥四號任務有很多光環(huán)，它是人類航天史迄今為止唯一的月球背面軟著陸探測任務，該探測器由著陸器與巡視器組成，其中巡視器“玉兔二號”也是人類部署月球表面開展巡視探測時間最長的月球車，這輛月球車在月球上的每分每秒都在刷新著人類紀錄。
嫦娥四號著陸器
嫦娥四號部署至月球背面的玉兔二號月球車
然而，光環(huán)的背后也有曲折。那一年，承載著嫦娥四號探測器的CZ-3B改Ⅲ型遙30火箭順利地完成了發(fā)射階段任務，探測器也成功進入預定軌道，當我們看到器箭分離的夢幻畫面時，想必也會認為此去月球必是一片坦途。
嫦娥四號發(fā)射任務的器箭分離畫面
但是……器箭分離不久，嫦娥四號就遭遇了燃料泄漏，用葉培建院士的話說，就是“把我們嚇得夠嗆”。
器箭分離后嫦娥四號在執(zhí)行某個動作之后沒多久，忽然發(fā)現(xiàn)與發(fā)動機關(guān)聯(lián)的兩個閥門突然打開了，這是不該開的，雖然后來閥門及時關(guān)閉，但這一開一關(guān)之間有二十秒時間，不要小看這二十秒，就這點時間嫦娥四號向太空釋放了將近二十公斤燃料。
嫦娥四號地面總裝畫面
燃料泄漏很快就牽扯出三個致命問題：
1.嫦娥四號有4個燃料貯箱，泄漏的是其中1個貯箱，這就產(chǎn)生了探測器姿態(tài)平衡問題，嫦娥四號沒有帶動量輪，姿態(tài)控制完全依靠姿控發(fā)動機，探測器姿態(tài)一旦失衡，姿控發(fā)動機就會工作，就會持續(xù)消耗燃料；
2.與發(fā)動機關(guān)聯(lián)的這兩個閥門是在不受控制的情況下開啟，在后續(xù)動作中，它還能受控開啟或關(guān)閉嗎？如果不能，怎么辦？
3.嫦娥四號是在器箭分離不久就遭遇燃料泄漏，而且基于問題1的燃料消耗問題，在后續(xù)奔月與登月階段的燃料還夠用嗎？
憑借CZ-3B改Ⅲ型火箭強大的深空軌道運力，我們可以將三四噸重的探測器直接打入地月轉(zhuǎn)移軌道，這是與印度月船二號、月船三號這種需要繞地球轉(zhuǎn)圈加速切入環(huán)月軌道不同，我們火箭能力更強的同時，也要面對更為復雜的探測器設(shè)計問題。
CZ-3B改Ⅲ型火箭搭載著嫦娥四號探測器點火升空
嫦娥四號相較于月船三號，前者是一體式設(shè)計，著陸器既是地月轉(zhuǎn)移飛行的推進艙，也是登月階段的著陸器，月船三號則不同，地月轉(zhuǎn)移飛行是推進艙的任務，登月階段則是著陸器的任務。
嫦娥四號與月船三號對比圖
嫦娥四號著陸器，既是著陸器，也是地月轉(zhuǎn)移階段的推進艙。
顯然嫦娥四號的能力更強，但欲戴皇冠必承其重，在發(fā)射入軌的初始階段就泄漏了20公斤燃料，后面怎么辦？一體式設(shè)計的嫦娥四號的每一個動作都是一榮俱榮一損俱損，泄漏的燃料勢必會影響后續(xù)登月任務。這與月船三號的分體式設(shè)計不同，即便推進艙燃料消耗過多，只要能到月球環(huán)繞軌道，就不會影響著陸器登月。
嫦娥四號器箭分離后，后續(xù)還有近月制動、環(huán)月變軌，以及動力減速等動作，每個動作燃料消耗量都很大，比如近月制動階段，發(fā)動機要持續(xù)點火將近6分鐘，到登月階段哪怕少1公斤燃料，都必然導致登月失敗，如果登月失敗，也就意味著嫦娥四號任務的整體失敗。
嫦娥四號原本是嫦娥三號的備份探測器，作用是在如果嫦娥三號失敗，就用嫦娥四號在短時間內(nèi)頂替嫦娥三號，以實現(xiàn)月面軟著陸任務的突破。
嫦娥三號如期完成了登月任務，而且成功釋放玉兔號巡視器至月球表面，又實現(xiàn)了月面巡視技術(shù)的突破。
嫦娥三號著陸器拍攝在月面行駛的玉兔號月球車
但是，玉兔號月球車在完成與著陸器的兩器互拍任務后沒多久，就遭遇了霍爾器件供電回路短路故障，導致電源電壓降低，月球車無法正常行駛。最終這輛月球車的月面行駛里程定格在了114.8米。
根據(jù)葉培建院士披露，原計劃嫦娥四號不準備再帶月球車，因為要為成功登陸月背這個主要任務預留更多的資源，比如為著陸器增加重量、供電等資源，重量資源顯然是為了帶更多的燃料。
嫦娥四號的預選著陸區(qū)是月球背面南極-艾特肯盆地的馮·卡門撞擊坑，要登陸這里就要翻越四千米的高山地形，再加上盆地的深度，整個高差有將近萬米，比地球上的珠穆朗瑪峰還要高，這就要求著陸器在數(shù)千米高空就要呈垂直下降姿態(tài)，燃料消耗要比嫦娥三號多得多。
嫦娥四號登月階段要經(jīng)歷的萬米高差
基于上述任務要求，不帶月球車也是合乎邏輯的。
但是，遭遇玉兔號月球車挫折的參研人員都很不甘心，都想在嫦娥四號登月任務中再展拳腳，最終經(jīng)過他們的努力爭取，任務總體同意了他們的要求，著陸器更多的燃料用量需求則通過提高7500N變推力發(fā)動機的比沖，以及各器件縮減重量來實現(xiàn)。
承載著眾多期望的嫦娥四號發(fā)射入軌伊始就遭遇悠關(guān)生死的重大挫折，任務團隊的壓力是可想而知的，筆者當時記得，嫦娥四號入軌后整個媒體圈都沉默了，找不到后續(xù)進展報道，直到成功進入繞月軌道后才有了任務進展報道，當時外界并不知道嫦娥四號發(fā)生了什么事，如此安排也是為了降低任務團隊的心理壓力。
嫦娥四號是如何克服困難最終抵達月球，后來又成功登月的呢？
20公斤的燃料泄漏量相較于探測器的全部燃料加注量，看上去也不是很多，但是經(jīng)過任務團隊計算，這一泄漏量已經(jīng)遠超設(shè)計可承受的余量，意味著如果按部就班地執(zhí)行后續(xù)動作，將無法保證嫦娥四號安全落月。怎么辦？
當時有人提出了一個拆東墻補西墻的辦法，就是從著陸任務中省出10公斤燃料，用于地月轉(zhuǎn)移飛行。這個辦法很快就被否定，原因就是前文表述的此次登月任務燃料需求大，登月成敗事關(guān)任務全局，容不得半點閃失。
嫦娥四號在距月面五千多米高空就轉(zhuǎn)為垂直下降姿態(tài)
就在燃料泄漏故障通報不到2小時的時間，軌道組很快就拿出了基于聯(lián)合優(yōu)化控制技術(shù)的軌道重構(gòu)方案，取消地月轉(zhuǎn)移途中的推力標定，以節(jié)省燃料。
航天器推力標定在通常情況下是不可或缺的關(guān)鍵步驟，每臺發(fā)動機都有地面數(shù)據(jù)與在軌數(shù)據(jù)的差異，沒有在軌推力標定，就無法保證軌道精度，對于嫦娥四號而言則存在撞擊月球的風險。
由于沒有推力標定，7500N變推力發(fā)動機的在軌實際推力數(shù)據(jù)就無法掌握，只能基于地面數(shù)據(jù)設(shè)計近月制動的點火時機與點火時間，這就必然存在偏差，為了避免撞擊月球，設(shè)計人員將繞月初始軌道由原先的近月點100公里、遠月點100公里調(diào)整為近月點100公里、遠月點430公里，這樣就為推力偏差留出了足夠的安全距離。
環(huán)月飛行
在這套方案的保障下，嫦娥四號最終成功進入繞月軌道，且在完成登月任務后，著陸器還剩余3公斤燃料。
一方面說明，我們嫦娥四號強大的冗余能力準備，另一方面也說明，在遭遇故障后，否定從登月階段拿出10公斤燃料這一決策的正確性。
如果按照拆東墻補西墻的辦法，那么在登月階段我們將至少有7公斤的燃料缺口，甚至更多，因為沒有軌道重構(gòu)，地月轉(zhuǎn)移途中的燃料用量將更大，登月階段的燃料缺口自然也更大，其結(jié)果可想而知。
著陸月球后的嫦娥四號著陸器還有3公斤燃料余量
再回到月船三號，該探測器雖然入軌存在較大偏差，但相較于嫦娥四號曾經(jīng)遭遇的燃料泄漏故障，顯然要輕得多。
另外，關(guān)于月船三號有必要澄清以下幾點：
月船三號初始軌道近地點比設(shè)計軌道低了32公里，僅有138公里，距離卡門線也只有38公里，很多人說，如果不盡快抬升軌道，就會在短時間內(nèi)再入地球大氣層？
非也，月船三號的初始軌道是大橢圓軌道，遠地點雖然也有偏差，但也有3.63萬公里。橢圓軌道通常是“遠慢近快”，意思是近地點速度更大，軌道高度并不容易衰減，這是與近地圓軌道航天器較高的高度衰減速率完全不同。
月船三號每一次變軌都是為了抬升軌道，然后逐步接近月球，為何第二次變軌，遠地點高度不升反降，第一次變軌后的遠地點高度是41762公里，第二次變軌后的遠地點高度則是41603公里，降低了159公里，這是為什么？
因為此次變軌主要是為了抬升月船三號近地點高度，第一次變軌后的近地點高度是173公里，第二次變軌后的近地點高度是226公里，近地點抬升了53公里，這正是第二次變軌的主要目的。
根據(jù)軌道力學原理，航天器遠地點動力開機，近地點抬升，航天器近地點動力開機，遠地點抬升。
正常情況下，月船三號應當是近地點開機，以抬升遠地點高度，從而進入地月轉(zhuǎn)移軌道，但由于入軌初始軌道近地點高度較低，不能滿足地月轉(zhuǎn)移需求，所以第二次變軌應該是遠地點開機，旨在抬升近地點高度，至于遠地點高度降低，則可能是推力偏差所致，但仍屬正常情況。
接下來月船三號會不會增加額外的變軌次數(shù)？這并不一定，有兩種可能，一種是增加變軌次數(shù)，畢竟第二次變軌屬于額外任務，遠地點并沒有抬升。另一種可能是，增加后續(xù)每次變軌的高度抬升量，這樣一來就不用增加額外的變軌次數(shù)。
無論采取哪種辦法，都要圍繞著如何節(jié)省燃料這點展開。
月船三號變軌任務量的增加，勢必導致更多的燃料消耗，這會不會導致月船三號登月燃料緊張？
并不會，因為地月轉(zhuǎn)移飛行消耗的是推進艙燃料，用于登月的著陸器并不消耗燃料。
推進艙承載著著陸器（月船三號）
關(guān)于推進艙超預期燃料消耗這件事，印度的任務團隊也早有預見。月船三號是月船二號的復制改進版本，月船二號的推進艙既是地月轉(zhuǎn)移飛行的主控艙段，同時也是一顆高價值的繞月探測衛(wèi)星，它搭載了比NASA的LRO月球軌道勘測飛行器更高分辨率的高分辨率相機。
月船二號雖然登月失敗了，但是推進艙作為一顆高價值繞月衛(wèi)星則是成功的，目前仍在軌運行，還拍攝了阿波羅計劃的登月遺址，分辨率比NASA的還要高。
月船二號推進艙（軌道器）拍攝的阿波羅12號登月遺址（可見登月艙下降級，與月面活動痕跡。）
既然月船二號繞月探測器仍在正常工作，所以月船三號推進艙在設(shè)計伊始就決定不再攜帶大量的科學探測載荷，多出來的重量資源就可以讓推進艙攜帶更多的燃料。
據(jù)披露，月船三號多帶的燃料，可以增加二至三次變軌，由此來看，即便遭遇了初始軌道偏差較大的問題，保障后續(xù)地月轉(zhuǎn)移飛行并沒有不可逾越的障礙。
月船三號任務的重頭戲是著陸器登月，并釋放月球車。
嫦娥四號、月船三號，對于兩國航天事業(yè)而言，都有著里程碑意義，雙方的努力與付出都值得尊敬。
回顧我國嫦娥四號任務，在完成登月任務后飛控大廳里曾有這樣一幕畫面：
葉培建院士拍了拍嫦娥四號探測器項目執(zhí)行總監(jiān)張熇，張熇眼淚立刻就下來了，就是因為發(fā)射的那天遭遇的燃料泄漏這件事，這是苦難輝煌過后的壓力釋放。
“嚴肅認真，周到細致，穩(wěn)妥可靠，萬無一失”，我國航天的16字方針生動詮釋了航天任務的高風險，這種高風險是貫穿始終的，不到最后一刻都不能斷言勝敗，這也正是航天探索的魅力所在。
我們在關(guān)注國外航天任務時也需要多一些理性，他們的成功經(jīng)驗我們可以借鑒，他們的失敗教訓我們也要吸取，比如國外航天任務失敗，國內(nèi)任務團隊也會歸零自檢、舉一反三……
為什么近年來我國航天探月登火幾乎總是攻無不克戰(zhàn)無不勝？原因正是我們有更加嚴謹?shù)膽B(tài)勢，并以海納百川的心態(tài)汲取人類航天的養(yǎng)分，唯有如此才能行穩(wěn)致遠，才能不斷地從勝利走向新的勝利。
