兩年前，中國“牧星人”救回一顆重磅衞星
《環球時報》專訪西安衞星測控中心“救星”團隊：兩年前，中國“牧星人”救回一顆重磅衞星
本報記者 樊 巍 本報特約記者 呂炳宏 田 枝
編者的話：2020年7月31日宣佈全面建成的北斗三號全球衞星導航系統，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、獨立運行的全球衞星導航系統，在維護國家安全、服務經濟社會發展方面發揮了不可替代的作用。從1994年正式啓動至2020年全面建成，北斗衞星導航系統耗時26年，共組織了44次北斗發射任務，先後將59顆北斗衞星送入預定軌道，任務成功率達到100％。
驚心動魄的5分鐘
2020年3月9日19時55分，我國在西昌衞星發射中心，運用長征三號乙運載火箭，將北斗三號GEO-2衞星順利送入近地點200餘公里，遠地點3.6萬餘公里的大橢圓軌道，隨着衞星太陽能帆板打開，此次發射任務取得圓滿成功。作為北斗三號全球衞星導航系統的第29顆衞星，北斗三號GEO-2衞星的發射成功，意味着中國北斗距離全球組網僅有一步之遙。
然而在西安衞星測控中心，發射成功的大紅屏卻昭示着中國“牧星人”後續更加繁重任務的開始。按照計劃，北斗三號GEO-2衞星在進入大橢圓軌道後，將實施數次變軌，逐步抬升衞星軌道近地點的高度，降低軌道傾角。最終目標是讓衞星進入距離地球3.6萬餘公里的地球靜止軌道。
在發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過程中，意外發生了。在衞星主發動機持續點火十幾分鍾後，遙測數據顯示，衞星的姿態突然出現異變趨勢。“指揮大廳的屏幕上顯示，有一個干擾力矩導致衞星的姿態出現擾動。”西安衞星測控中心高級工程師王鑫告訴《環球時報》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。
衞星姿態的異常通常會引發一系列災難性後果。王鑫介紹稱，衞星姿態不穩會導致星上的器件受損，以至於徹底無法工作，更嚴重的是可能會造成衞星與地面之間的通信中斷，導致地面人員無法對衞星進行監測和控制。
通常而言，每一次發射任務，在西安衞星測控中心的指揮大廳內，會有飛控團隊和衞星研製方的技術團隊共同執行早期的測控任務，以便更好地掌握衞星的相關情況和狀態。但2020年3月正值新冠肺炎疫情肆虐全國，衞星研製方技術團隊雖然也在西安衞星測控中心，但出於疫情防控要求，兩個團隊只能分散於兩個工作廳內執行此次任務，在衞星突發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，在那個千鈞一髮的時刻，這無疑給應急處置增添了難度。
面對大紅屏上顯示衞星干擾力矩數據持續加大的危險局面，地面飛控人員通過研判後決定為衞星設置一個臨界參數，一旦衞星姿態異變的參數達到這個值，地面人員就必須立馬發送指令緊急關閉衞星的主發動機，確保衞星的安全。“當時的情況是：如果衞星姿態異變參數超過這個臨界點，衞星就有可能會失聯、失控，在那之前如果我們還沒有實施主發動機關機，那麼衞星就再也無法接受指令實施關機了，最終衞星處於什麼狀態，飛到了哪個地方我們都無法知道。”王鑫介紹稱，因為當時衞星的動力系統中只有主發動機在工作，因此大家初步研判應該是衞星的主發動機出現問題才導致衞星姿態的異變，一旦關閉主發動機，衞星的姿態應該能夠穩住。
最終，在衞星姿態出現異變情況5分鐘後，異變參數到達臨界點，地面人員緊急發送指令實施衞星主發動機關機。關機後，指揮大廳的大屏幕上很快就顯示衞星姿態異變趨勢逐漸減緩。
蕩氣迴腸的20天
把衞星從失控的邊緣救回來並不能讓地面飛控人員鬆一口氣。作為北斗三號衞星系統中功能最多、信號最多、體形最大、壽命最長的一型衞星，北斗三號GEO軌道衞星的造價自然不菲，如果因為主發動機故障導致衞星無法爬升到地球靜止軌道，從而失去應有的作用，無疑將造成巨大經濟損失。
此外，按照北斗三號全球衞星導航系統的整體規劃，自2017年11月開始，要在兩年多的時間內通過高密度的18次發射完成30顆北斗三號衞星的部署，從而實現北斗三號衞星的全球組網。王鑫介紹稱，這個組網計劃十分飽滿，且環環相扣，對於整個大工程的各大系統來説，都很難有“餘量”在預定時間內補發一顆衞星補缺。“作為系統全面建成前的倒數第二顆組網衞星，北斗三號GEO-2衞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’衞星的發射，這意味着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衞星導航系統的相關計劃都將推遲。”
面對這樣一顆不容有失的衞星，現場這些跟隨北斗工程一路走來的任務人員都不甘心放棄。在化解衞星失控危機之後，地面飛控人員隨即發送指令讓衞星姿態逐漸恢復正常，並進入安全工作模式，隨後就開始同衞星研製方的技術團隊一起對衞星異常的現象和數據開展細緻分析，試圖儘快定位衞星的故障點。
結合分析的結果，衞星研製方通過仿真等手段在地面上進行“覆盤”性質的試驗，結果發現衞星之所以出現姿態失控，是因為主發動機噴管的喉部出現了燒蝕現象。“通俗而言就是衞星主發動機噴管的喉部燒出了一個洞，這就會導致發動機的推力不穩定，燒穿的地方漏出的工質對衞星的姿態造成了擾動，導致衞星姿態異變。”王鑫稱。
彼時，衞星滯留在近地點高度6000餘公里的過渡軌道，想要繼續爬升到地球靜止軌道就必須依靠衞星自身的動力系統將近地點高度再抬升3萬餘公里。由於此前的變軌方案都是圍繞衞星主發動機正常工作的情況而制定，因此有一種聲音主張，既然衞星的姿態已經穩定了，那麼就可以嘗試重新點燃衞星主發動機，按原計劃實施變軌。
但有另一種聲音卻認為，因為衞星主發動機噴管的燒蝕點始終會產生干擾力矩，影響衞星姿態的穩定，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。於是一種更為複雜但卻更加安全的方案最終勝出：放棄衞星的主發動機，而是選用星上推力更小、用以維持衞星姿態穩定的姿軌控推力器實施更多次變軌。
然而這種方案在實施過程中也要面臨多種限制因素。王鑫介紹稱，在衞星變軌過程中，隨時掌握衞星狀態，及時發送指令精準實施衞星推力器開關機尤為關鍵，這就需要保證地面與衞星之間星地測控鏈路暢通。但由於我國測控網規模有限，無法實現衞星在軌運行的全弧段測控，因此在衞星變軌點的選擇上，除了要儘量靠近變軌時最“省時省力”的軌道遠地點之外，變軌點還必須在我們的測控範圍內。
此外，在這個更為複雜的變軌過程中，還需要儘量節省衞星燃料，減少對衞星姿軌控推力器壽命的影響。“這就需要我們制定合理的點火策略，優化衞星燃料消耗、點火軌道位置和點火弧段，在不同的變軌點採用不同推力器組合實施點火，這樣才能規避因為執行應急變軌任務，對衞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後，經過任務團隊細緻計算，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衞星的姿態穩定後，最終開始實施這場扣人心絃的變軌計劃。
3月28日，在耗時近20天，實施近20次精確變軌後，北斗三號GEO-2衞星最終依靠星上十餘台姿軌控推力器，實現了持續抬升軌道高度，逐漸壓低軌道傾角，順利定點於離地3.6萬餘公里的地球靜止軌道。這顆事關北斗工程建設全局的衞星最終被成功救回。
更加難能可貴的是，後續經過西安衞星測控中心技術人員的測算，這次意料之外的“救星”任務並未對衞星的設計使用壽命造成明顯影響。王鑫介紹稱，得益於衞星研製團隊的冗餘設計，衞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設計使用年限，“在這場‘救星’任務中我們也制定了最優化的變軌策略，最終衞星的剩餘使用壽命依舊能夠大於設計使用壽命。”
燦爛輝煌的十年
“太空資產是國家戰略資產，要管好用好，更要保護好。”在過去十年中，我國的在軌衞星數量越來越多，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，西安衞星測控中心“牧星人”團隊不辱使命，在浩瀚的宇宙中書寫了更多的“隱秘而偉大”。
“中國衞星數量的日益增長，以及太空環境的越發複雜，意味着我們所承擔的任務越來越繁重，但意義也越來越重大。”西安衞星測控中心正高級工程師楊永安告訴《環球時報》記者，如今，西安衞星測控中心長期管理的各類衞星數量已經達到300多顆，其中1/3以上的衞星處於超期服役狀態，這些長期在軌運行的衞星難免會因為設備、器件老化等問題出現故障，但憑藉出色的運維，衞星目前工作狀態依舊良好，在太空中為服務國計民生髮揮餘熱。
讓“中國星”在太空中持久閃耀的秘訣在於過硬的本領和勇於擔當的精神。楊永安表示，在過去十年中，西安衞星測控中心開展了多項創新性探索，目前已形成對在軌衞星“體檢”“診斷”和“救治”的全流程故障診斷與維修能力。總結歷年執行測控任務經驗所制定的衞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衞星故障，也正是在這套體系的保障下，西安衞星測控中心“牧星人”團隊在近十年內，成功完成包括中星9A、北斗三號GEO-2衞星在內的多次衞星搶救任務，創造了許多太空奇蹟。
然而，讓衞星“重生”所創造的價值並不總能為人所知。就像許多其他航天系統一樣，“幹驚天動地事，做隱姓埋名人”也是深植於西安衞星測控中心的傳統和信念。▲