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解密嫦娥奔月軌道
在發射現場觀看嫦娥號昇天的人們
10月24日18時05分，中國西昌衛星發射中心。大地轟鳴，長征三號甲運載火箭搭載嫦娥一號探月衛星直衝雲霄，奔向遙遠的月球。
用“嫦娥”命名中國首顆探月衛星，可謂順理成章。沒有人比這個棲居於中國古老傳說中的悽美女子，更懷念她的桂樹，她的玉兔。
但一開始，這個名字還是讓它的製造者們感覺“彆扭”。大約在2005年，衛星和其他系統之間進行對接試驗。熟稔了類似“我是長江”或“我是黃河”對接口令的男工程師們，喊出“我是嫦娥”後，老覺得不太自然。
然而，設計難關一個個被攻克，國內最好的技術漸次賦予了它，嫦娥一號對研究者們也不再陌生。負責衛星設計的一位領軍人物，喜歡這樣向別人介紹女同事：“這是我的嫦娥。”
倘若一切遂願，“嫦娥一號”將在11月5日前後平安抵達環月軌道。此後一年，它將在距月200公里左右高空的軌道上，帶我們去看月亮的風塵和土壤。
火箭點燃的一刻，中國也拉開了深空探測的大幕。嫦娥一號勾勒出的開端，註定將被歷史銘記。
軌道：第一道難關
嫦娥在茫茫太空如何平安奔月？它需要有一條路。“就像是你要去成都，必須知道該怎麼走。”
被火箭送到200公里的高空後，嫦娥一號將展開它藍黑色的帆板，獨立面對登月之旅。
嫦娥如何平安奔月？首先，它需要一條道路，航天專家們稱之爲軌道。這是繞月工程的核心環節之一。
“就像是你要去成都，必須知道該怎麼走。”10月22日，接受南方週末採訪時，中國探月工程總設計師孫家棟說。
困擾科學家們的問題，與以前中國掌握的地球衛星有着根本的不同：一般地球衛星只需考慮衛星和地球之間的關係，現在多了一個月亮，帶來了力學和軌道研究等方面非常複雜的問題。“就像獵人打獵。最大的區別就是，嫦娥一號打的是一個移動的月亮。”孫家棟用這樣一個例子，來描述難點所在。
奔月的軌道設計，一般是從後往前設計。也就是說，衛星最終的使命，決定了軌道的前邊一步的設計方案。嫦娥一號也不例外。
事實上，討論嫦娥一號軌道時，專家組有人提出用火箭直接將嫦娥送入登月通道。經過論證，這一思路並未採用。
此番嫦娥一號被賦予的使命是，拍攝三維立體月球地形圖、評估月壤厚度和氦-3的儲量、探究距離地球40萬公里的空間環境，以及探測特殊元素月球分佈——這被總稱爲此次嫦娥號的四個科學目標。
計算表明，爲完成這些使命，嫦娥一號需到達距月球200公里高空的軌道上去。這一數字決定了它的軌道設計方案。
最終確立的軌道是這樣的：嫦娥一號首先繞地球沿三個逐漸變大的橢圓軌道飛行(調相軌道)；充分測試儀器調整姿態後，精確從奔月口開始真正的奔月之旅(地月轉移軌道)；最終抵達月球上空(環月軌道)。
區別於科學目標，科學家將嫦娥一號送上月球軌道的這個使命，稱爲工程目標。
嫦娥工程衛星設計師和總指揮、中國空間技術研究院葉培建院士曾表示，“工程目標纔是最主要、最難的目標，更是實現科學目標的前提和基礎。”
接受一家媒體採訪時，葉培建羅列了研發嫦娥一號衆多的難關，把軌道問題排在了第一位。
奔月口
“奔月口”像一個高速公路的出口。“必須準確找到這個出口。否則不知道下一個出口在哪裏呢，不知道兜多遠。”
發射後的未來幾天內，嫦娥一號探月衛星首先將圍繞地球，劃出逐漸增大的三個橢圓痕跡，以期進入“奔月口”。“奔月口”實際上是地球上空的一個點，嫦娥沿預定的軌道，必須從那個點出發，飛向奔月軌道，才能跟運動中的月亮碰上。
用中國探月工程副總設計師、中國工程院院士龍樂豪的話說，“奔月口”像一個高速公路的出口。接受本報記者採訪時，他說，“必須準確找到這個出口。否則不知道下一個出口在哪裏呢，不知道兜多遠。”
最早劃出的，是一個近地點200公里、遠地點51000公里、週期爲16小時的環地球橢圓。在這條軌道上，嫦娥一號將在第二個遠地點作一次小的變軌，嫦娥一號衛星發動機點火，將它的近地點提升到600公里。
隨後，嫦娥一號發動機再次點火，第一次大的變軌發生，軌道週期被調整爲24小時。再次到達近地點時的衛星，將作出第二次大的變軌，將軌道週期增加到48小時，使遠地點高度達到約13.7萬公里。
這一系列變化，看起來顯得繁冗，事實上卻深具用心，能讓下一步的奔月飛行更爲精確和保險。
一位權威人士介紹，如果衛星不做上述環地運動，直接進入奔月點，爲克服重力發動機會消耗很長時間，會消耗更多的燃料，也可能傷及發動機本身。“燃料是衛星的生命。發動機開得次數越少，時間越短，衛星越安全。”
同時，國內的測控能力有限，嫦娥一號幾個近地點都是在同一地區，衛星相對於地球的位置基本不變，按照預想，重要的變軌點爭取都在中國的測控視野覆蓋範圍，便於測控。
北京航空航天大學宇航學院的航天制導導航與控制系主任徐世傑對記者說，“採用這種軌道，和我們國家的測控能力有關。”
徐世傑說，即便動用了歐洲和國內最好的探測資源，在某一段時間內，覆蓋面也比較有限，因而，更多的繞地飛行安排有助於更好地測控。
此前，這位專家介紹，每一次都要加速，都能檢驗火箭的偏差有多大，每次加速時發動機的偏差，包括飛行方向，控制系統，有多種測量數據，這樣對軌道的精度確定比較高。
這些調整使誤差得以儘早被修正，並且測控時有多個軌道弧線，對嫦娥一號測控精度也會提高，技術上可靠性就更高。
要精準抵達環月軌道，必須精確找到奔月口，“差之毫釐，謬以千里”。孫家棟透露，確定進入奔月口的時間是31日。這是嫦娥奔月的第一道險關，只有在這個點上出發，才能按照原初計劃抵達月球。
最初確立的35分鐘的發射窗口——火箭發射最遲不能超過35分鐘，同樣是爲了更精確地抵達奔月點。因爲月球也在運動，“假設嫦娥一號先到，月亮沒到，它自己就飛過去了……”
10月31日，嫦娥一號將從環地48小時軌道進入奔月之旅出發點——奔月口。它將在這裏結束環繞地球的旅程，然後以每秒10.9公里的速度掙脫地球引力，踏上奔月“高速公路”。
孫家棟說，因爲月球也在運動，“假設嫦娥一號先到，月亮沒到，它自己就飛過去了，月球抓不住它；到晚了，根本見不到月球。”
能否進入奔月點，對嫦娥一號來說生死攸關，此前繞地飛行的點都可以調整，但奔月點沒有，具有惟一性和不可重複性，“開弓沒有回頭箭”。
如果出現失誤，它將面臨兩種可能：進入錯誤的奔月軌道，走了歪路；或者再繞地球一圈，走了冤枉路，回來時月球已不在那裏了。
按照原初構想，離開奔月點之後的大弧線軌道，是嫦娥一號正式向月球進軍的路徑。真正的奔月之旅。
這將也是中國航天器飛行最遠的距離，38萬公里。此前，中國的衛星最遠是8萬公里左右。
孫家棟介紹，此間飛行時間約爲5天，嫦娥一號將進行兩至三次變軌，分別爲進入奔月軌道的第一天和第四天。中間第二天根據實際情況，決定是否需要進行第三次調整。
在最初的軌道設計中，就確定對軌道進行兩次拼接。孫家棟介紹，另外一次拼接將按當時探測的情況而定，用來修正此前積累下來的誤差等。
三次“點剎”
奔月通道盡頭，嫦娥一號將要進行“三次剎車”，才能減速以免被月球引力場捕獲，進入月球軌道。
飛越了38萬公里的漫長路途，奔月通道盡頭，第二個重要關口等着嫦娥一號去穿越。
10月22日，總裝備部副部長、嫦娥工程領導小組副組長張建啓接受《京華時報》採訪時稱，衛星要準備剎車，進入月球軌道的日期是11月5日，“這一點一定要成功，否則衛星也可能丟失。”
“可能剎不住，也可能剎住了方向不對。”龍樂豪對南方週末分析，“到月球時該剎車時沒剎，可能撞上月球，也可能從月亮旁邊飛走。”
奔月過程中，嫦娥一號會逐漸減速。按照預定方案，速度將由原來的每秒10.9公里，減少到每秒2.4公里，並以這個速度進入月球軌道。
高度是200公里的話，每秒2.4公里的速度，“月球根本抓不住它。”孫家棟說，“根據測算，嫦娥一號平均速度不能超過1.6公里，才能被月球引力場捕獲。”
因此，接下來的減速過程剎車，是嫦娥一號能否成功進入的關鍵。對此，專家們研究出的控制方案是，嫦娥一號將在這裏安排“三次剎車”，其中，第一次近月制動尤爲關鍵。
這個三次制動的過程，類似開車時一次一次輕輕踩剎車板，而不是一次剎車。
爲什麼不一次到位呢？
跟繞地的變軌設計一樣，近月制動同樣是一個謹慎的方案。一次剎車將耗費更多的燃料，發動機承受的負荷很重，潛在風險大於多次剎車。美國和日本都是採取這種方法探月。
孫家棟說，這次剎車將決定嫦娥一號最終能否成功。“不僅是對軌道的考驗。在38萬公里那麼遠的地方，如何傳輸信號，發出指令並控制飛行，是中國以前從來沒做過的。”
嫦娥一號進入月球軌道的第一個軌道是橢圓形的，近月點200公里，遠月點則很遠，繞月週期爲12個小時。
兩次剎車後，軌道也逐步由週期爲12小時的環月橢圓軌道，經三次調整，變爲週期爲127分鐘的環月圓軌道，並且經過月球極地上方。
張建啓透露說，如果一切順利，可以宣佈嫦娥探測工程成功的日期大概是11月7日。
中國深空探索起步
“不管怎樣，中國都要向遙遠的方向去走了。”
嫦娥一號是一個宏大計劃的開始。
2000年11月22日，中國政府首次公佈《中國的航天》白皮書，明確指出將“開展以月球探測爲主的深空探測的預先研究”。中國宣告走近深空探測。
按照中國的設想，探月工程分爲三步，第一步爲“繞”，突破至地外天體的飛行技術並實現首次繞月飛行。
第二、三步分別爲“落”和“回”，突破在地外天體上實施軟着陸技術和返回器自動返回地球的技術。
深空探測作爲人類進行航天活動的三大領域中的一種，目前各個領域和各個國家缺乏統一的標準，比如，航天和天文的標準就完全不同。
月球到底算不算深空？學術上有不同說法。孫家棟認爲這些爭論沒有意義，他更看重的，是中國跨出了遠距離探測的重要一步。
軌道問題的設計和控制，只是發射嫦娥一號所要克服的技術難關之一。中國繞月探測工程首席科學家、中國科學院院士歐陽自遠曾表示，探月領域內，另外幾個難關的解決同樣舉足輕重：
——三體定向問題。衛星對地球觀察是兩體定向，即太陽帆板對太陽，觀察設備和測控通訊設備定向地球。但繞月衛星是三體定向，太陽帆板對太陽，觀察設備對月球，測控和通訊設備對地球，問題複雜得多。
——測控問題。地月相距38萬公里，而中國沒有深空測控站，如何保持遠距離測控？如果衛星不聽話怎麼辦？如何組建地面站？在這一點上，中國主要依靠原有的測控系統，但是依託這個畢竟有限。這次衛星發射，又增加了一套系統，用了4個全國最大的射電望遠鏡，輔助原有的測控系統。
——溫度控制。如何讓衛星適應月球晝夜300度的溫差？如何讓它在太陽、地球、月亮變動不居的相互關係中做到“不冷又不熱”？
對於本次繞月計劃，孫家棟有一套樸素的看法。“不管怎樣，中國都要向遙遠的方向去走了。”“工程有工程的目標，使中國航天更上一個臺階。”
在他看來，發射一個8萬公里的或10萬公里的地球衛星沒有意義，要離開地球。但是，“地球之外，離我們最近的是哪個？月球。”
孫家棟說，工程上的突破，這是第一件事情，至於是否成功，得靠將來的事實，來證實原來的想象。“嫦娥一號的繞月，是深空探測的起步。”孫家棟說，“嫦娥一號將啓動後來的月球探測體系和深空探測。”
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