解密嫦娥奔月轨道

    10月24日18时05分，中国西昌卫星发射中心。大地轰鸣，长征三号甲运载火箭搭载嫦娥一号探月卫星直冲云霄，奔向遥远的月球。

    用“嫦娥”命名中国首颗探月卫星，可谓顺理成章。没有人比这个栖居于中国古老传说中的凄美女子，更怀念她的桂树，她的玉兔。

    但一开始，这个名字还是让它的制造者们感觉“别扭”。大约在2005年，卫星和其他系统之间进行对接试验。熟稔了类似“我是长江”或“我是黄河”对接口令的男工程师们，喊出“我是嫦娥”后，老觉得不太自然。

    然而，设计难关一个个被攻克，国内最好的技术渐次赋予了它，嫦娥一号对研究者们也不再陌生。负责卫星设计的一位领军人物，喜欢这样向别人介绍女同事：“这是我的嫦娥。”

    倘若一切遂愿，“嫦娥一号”将在11月5日前后平安抵达环月轨道。此后一年，它将在距月200公里左右高空的轨道上，带我们去看月亮的风尘和土壤。

    火箭点燃的一刻，中国也拉开了深空探测的大幕。嫦娥一号勾勒出的开端，注定将被历史铭记。

    轨道：第一道难关

    嫦娥在茫茫太空如何平安奔月？它需要有一条路。“就像是你要去成都，必须知道该怎么走。”

    被火箭送到200公里的高空后，嫦娥一号将展开它蓝黑色的帆板，独立面对登月之旅。

    嫦娥如何平安奔月？首先，它需要一条道路，航天专家们称之为轨道。这是绕月工程的核心环节之一。

    “就像是你要去成都，必须知道该怎么走。”10月22日，接受南方周末采访时，中国探月工程总设计师孙家栋说。

    困扰科学家们的问题，与以前中国掌握的地球卫星有着根本的不同：一般地球卫星只需考虑卫星和地球之间的关系，现在多了一个月亮，带来了力学和轨道研究等方面非常复杂的问题。“就像猎人打猎。最大的区别就是，嫦娥一号打的是一个移动的月亮。”孙家栋用这样一个例子，来描述难点所在。

    奔月的轨道设计，一般是从后往前设计。也就是说，卫星最终的使命，决定了轨道的前边一步的设计方案。嫦娥一号也不例外。

    事实上，讨论嫦娥一号轨道时，专家组有人提出用火箭直接将嫦娥送入登月通道。经过论证，这一思路并未采用。

    此番嫦娥一号被赋予的使命是，拍摄三维立体月球地形图、评估月壤厚度和氦-3的储量、探究距离地球40万公里的空间环境，以及探测特殊元素月球分布——这被总称为此次嫦娥号的四个科学目标。

    计算表明，为完成这些使命，嫦娥一号需到达距月球200公里高空的轨道上去。这一数字决定了它的轨道设计方案。

    最终确立的轨道是这样的：嫦娥一号首先绕地球沿三个逐渐变大的椭圆轨道飞行(调相轨道)；充分测试仪器调整姿态后，精确从奔月口开始真正的奔月之旅(地月转移轨道)；最终抵达月球上空(环月轨道)。

    区别于科学目标，科学家将嫦娥一号送上月球轨道的这个使命，称为工程目标。

    嫦娥工程卫星设计师和总指挥、中国空间技术研究院叶培建院士曾表示，“工程目标才是最主要、最难的目标，更是实现科学目标的前提和基础。”

    接受一家媒体采访时，叶培建罗列了研发嫦娥一号众多的难关，把轨道问题排在了第一位。

    奔月口

    “奔月口”像一个高速公路的出口。“必须准确找到这个出口。否则不知道下一个出口在哪里呢，不知道兜多远。”

    发射后的未来几天内，嫦娥一号探月卫星首先将围绕地球，划出逐渐增大的三个椭圆痕迹，以期进入“奔月口”。“奔月口”实际上是地球上空的一个点，嫦娥沿预定的轨道，必须从那个点出发，飞向奔月轨道，才能跟运动中的月亮碰上。

    用中国探月工程副总设计师、中国工程院院士龙乐豪的话说，“奔月口”像一个高速公路的出口。接受本报记者采访时，他说，“必须准确找到这个出口。否则不知道下一个出口在哪里呢，不知道兜多远。”

    最早划出的，是一个近地点200公里、远地点51000公里、周期为16小时的环地球椭圆。在这条轨道上，嫦娥一号将在第二个远地点作一次小的变轨，嫦娥一号卫星发动机点火，将它的近地点提升到600公里。

    随后，嫦娥一号发动机再次点火，第一次大的变轨发生，轨道周期被调整为24小时。再次到达近地点时的卫星，将作出第二次大的变轨，将轨道周期增加到48小时，使远地点高度达到约13.7万公里。

    这一系列变化，看起来显得繁冗，事实上却深具用心，能让下一步的奔月飞行更为精确和保险。

    一位权威人士介绍，如果卫星不做上述环地运动，直接进入奔月点，为克服重力发动机会消耗很长时间，会消耗更多的燃料，也可能伤及发动机本身。“燃料是卫星的生命。发动机开得次数越少，时间越短，卫星越安全。”

    同时，国内的测控能力有限，嫦娥一号几个近地点都是在同一地区，卫星相对于地球的位置基本不变，按照预想，重要的变轨点争取都在中国的测控视野覆盖范围，便于测控。

    北京航空航天大学宇航学院的航天制导导航与控制系主任徐世杰对记者说，“采用这种轨道，和我们国家的测控能力有关。”

    徐世杰说，即便动用了欧洲和国内最好的探测资源，在某一段时间内，覆盖面也比较有限，因而，更多的绕地飞行安排有助于更好地测控。

    此前，这位专家介绍，每一次都要加速，都能检验火箭的偏差有多大，每次加速时发动机的偏差，包括飞行方向，控制系统，有多种测量数据，这样对轨道的精度确定比较高。

    这些调整使误差得以尽早被修正，并且测控时有多个轨道弧线，对嫦娥一号测控精度也会提高，技术上可靠性就更高。

    要精准抵达环月轨道，必须精确找到奔月口，“差之毫厘，谬以千里”。孙家栋透露，确定进入奔月口的时间是31日。这是嫦娥奔月的第一道险关，只有在这个点上出发，才能按照原初计划抵达月球。

    最初确立的35分钟的发射窗口——火箭发射最迟不能超过35分钟，同样是为了更精确地抵达奔月点。