火箭整流罩合罩
每天4+1分鐘——史上最窄窗口
12月2日，長(zhǎng)征三號(hào)乙改進(jìn)型運(yùn)載火箭成功穿越中國發(fā)射史上的最窄窗口，將嫦娥三號(hào)探測(cè)器順利送入預(yù)定軌道，展示了“三姑娘”（嫦三）婀娜的身姿，也在中國運(yùn)載火箭發(fā)射史上留下了濃墨重彩的一筆。
“保證連續(xù)三天每天有兩個(gè)窗口可以發(fā)射”，這是探月工程總體對(duì)嫦三任務(wù)提出的發(fā)射要求。為此，火箭研制團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)師們進(jìn)行了大量運(yùn)算和逐日搜索，最終找到了位于12月上旬的連續(xù)三天，并在每天確定了兩個(gè)發(fā)射窗口，一共6個(gè)窗口。
每天的第一個(gè)窗口寬度都是4分鐘，如果錯(cuò)過這個(gè)窗口，再等50分鐘，可以進(jìn)入第二個(gè)發(fā)射窗口，寬度為1分鐘。據(jù)了解，這種多窗口、窄窗口的設(shè)置是史無前例的，也對(duì)屢建功勛的長(zhǎng)三乙提出了新的更高要求。
“這次發(fā)射任務(wù)的窗口是我們發(fā)射航天器時(shí)所遇到的最窄的。”主任設(shè)計(jì)師胡煒介紹，“雖然每天有兩個(gè)窗口，但是時(shí)間都很短，所以要求火箭問題率低，且出現(xiàn)問題能夠快速排除，保證發(fā)射成功。”
3天6個(gè)窗口——降低發(fā)射風(fēng)險(xiǎn)
一天兩個(gè)窗口可以給發(fā)射提供更多處理問題的機(jī)會(huì)，減低一天一個(gè)窗口存在的風(fēng)險(xiǎn)，提高了火箭發(fā)射的成功率，同時(shí)也讓工程參與人員心里更有底數(shù)。3天6個(gè)窗口對(duì)應(yīng)6條軌道，每條軌道對(duì)應(yīng)的滑行時(shí)間、近地點(diǎn)幅角等都不一樣，所以需要工程各方協(xié)調(diào)配合。
據(jù)介紹，此次發(fā)射窗口是通過一年的時(shí)段進(jìn)行搜索后確定的。長(zhǎng)三乙的任務(wù)是通過6條軌道中的一條，將嫦娥三號(hào)送入地月轉(zhuǎn)移軌道，使其能沿著該軌道飛行，從而進(jìn)入環(huán)月軌道。
要遞好軌道對(duì)接的“接力棒”，需要火箭和探測(cè)器兩個(gè)研制團(tuán)隊(duì)通過計(jì)算使相應(yīng)的兩根軌道進(jìn)行匹配。軌道匹配就是軌道根數(shù)能對(duì)上，即時(shí)間和空間的位置匹配好，如果對(duì)不上，探測(cè)器將無法到達(dá)月球。所以每條完整的軌道都是通過雙方計(jì)算軌道的閉合形成。
計(jì)算12條軌道——堪比一年工作量
長(zhǎng)三乙總設(shè)計(jì)師姜杰介紹：“嫦一與通訊衛(wèi)星的發(fā)射，對(duì)火箭均沒有太高的要求，火箭只需將衛(wèi)星送到地球同步轉(zhuǎn)移軌道，衛(wèi)星再按照控制要求變軌。而嫦三任務(wù)則是要將探測(cè)器送到地月轉(zhuǎn)移軌道，所以要考慮地球、月球、太陽三個(gè)星體的運(yùn)動(dòng)，這對(duì)軌道設(shè)計(jì)提出了非常高的要求。”
據(jù)了解，軌道交接是逐日測(cè)算的，一般情況下，算一條合適的軌道需要幾個(gè)月。嫦三任務(wù)確定的6條軌道是從上萬條軌道中篩選出來的，且每條軌道后還有一條鈍化段軌道。該軌道可使火箭通過鈍化措施，將多余的燃料和能量卸掉，從而減少產(chǎn)生太空垃圾。
因此，6條軌道加上對(duì)應(yīng)的鈍化段軌道，嫦三發(fā)射任務(wù)共計(jì)算了12條軌道。如果按長(zhǎng)三乙一年發(fā)射10次衛(wèi)星、每次一條軌道計(jì)算，嫦三的軌道計(jì)算量相當(dāng)于以往一年的工作量。
姜杰講了這樣一個(gè)小插曲：“有一個(gè)負(fù)責(zé)軌道計(jì)算工作的設(shè)計(jì)人員在完成階段性工作后暈倒了。我們到醫(yī)院看望，他見到我的第一句話是‘姜總，我已經(jīng)把剩余的計(jì)算工作和同事交代好了’。”
除了設(shè)計(jì)工作，火箭的控制、測(cè)量等分系統(tǒng)的測(cè)試都是按照軌道情況進(jìn)行的，所以要做12個(gè)相應(yīng)狀態(tài)的測(cè)試。此外，6條軌道都要有設(shè)計(jì)結(jié)果和驗(yàn)證，所以這一發(fā)火箭的工作量可以比肩平日里的6發(fā)。長(zhǎng)三乙副總設(shè)計(jì)師劉建忠說：“相比發(fā)射嫦二的長(zhǎng)三丙，我們現(xiàn)在的任務(wù)翻了兩倍。相對(duì)于普通衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)，軌道設(shè)計(jì)人員工作量翻了6倍?！?/p>
精度提高3倍——如同定位到點(diǎn)
此次發(fā)射之所以選擇窄窗口，是因?yàn)槿蝿?wù)精度要求大幅提高。
“發(fā)射精度要求高了三倍多。如果說嫦娥二號(hào)可以發(fā)射到一條線上，嫦娥三號(hào)就只能發(fā)射到一個(gè)點(diǎn)上，而這種控制需要通過窄發(fā)射窗口實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，此次發(fā)射采用了雙激光慣組加衛(wèi)星導(dǎo)航修正的復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)，可保障探測(cè)器高精度入軌?！苯苷f。
無論窗口寬窄，運(yùn)載火箭一般都希望在窗口的前沿發(fā)射，以便出現(xiàn)問題后可以有整個(gè)窗口時(shí)間反應(yīng)和處理。窄窗口則給人們留下了更少的機(jī)動(dòng)時(shí)間，相應(yīng)地對(duì)工作人員的要求更加嚴(yán)格。
為了保證窄窗口發(fā)射不出問題，工作人員對(duì)總體控制、測(cè)量、利用等分系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，但并不是單靠增加冗余，而是在復(fù)雜性和可靠性之間進(jìn)行仔細(xì)的權(quán)衡。
胡煒形象地比喻道：“開車去上班，不能因?yàn)榕鲁鰡栴}，就后面再跟一輛車。而是要保證汽車可靠一些，可以放些備胎之類的部件?！币虼耍舜伍L(zhǎng)三乙除了采取一直表現(xiàn)出色的電器冗余，還為動(dòng)力系統(tǒng)的氣路、液路、閥門、減壓器等以前較難冗余的系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多套方案，進(jìn)行了優(yōu)化。
據(jù)了解，該系列火箭已經(jīng)成功發(fā)射50余次，各個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)急預(yù)案加起來達(dá)500多項(xiàng)。除此之外，任務(wù)團(tuán)隊(duì)還有聯(lián)動(dòng)預(yù)案，并且針對(duì)這次發(fā)射都做了修訂。一些預(yù)案在出廠測(cè)試時(shí)進(jìn)行了演練，有些預(yù)案在到達(dá)西昌之后完成了預(yù)演。(胡逢超 王旭)