航天科普｜為月背取“寶”，嫦娥六號(hào)用了哪些“巧勁”？

5月8日，經(jīng)過(guò)近月制動(dòng)，嫦娥六號(hào)順利進(jìn)入環(huán)月軌道飛行。與嫦娥五號(hào)任務(wù)相比，嫦娥六號(hào)的軌道設(shè)計(jì)面臨著獨(dú)有的難題。為確保嫦娥六號(hào)“走好每一步”，軌道設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)基于嫦娥五號(hào)任務(wù)軌道方案的成功經(jīng)驗(yàn)，圍繞適應(yīng)和匹配月球背面采樣返回任務(wù)的特點(diǎn)與需求，對(duì)方案進(jìn)行了大量的改進(jìn)、優(yōu)化和升級(jí)，形成了一套更為優(yōu)化和完善的無(wú)人地月往返飛行任務(wù)軌道方案。下面為大家一一揭開(kāi)軌道設(shè)計(jì)背后的“巧思”。

巧設(shè)計(jì)，環(huán)月逆行解難題

軌道設(shè)計(jì)作為航天器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)工作之一，在嫦娥六號(hào)任務(wù)中發(fā)揮了重要作用，在硬件產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)不進(jìn)行大幅度更改和調(diào)整的約束下，正是通過(guò)軌道方案的優(yōu)化和適應(yīng)性調(diào)整，破解了月背南緯采樣帶來(lái)的新難題。

與嫦娥五號(hào)的環(huán)月軌道不同，嫦娥六號(hào)任務(wù)采用了環(huán)月逆行軌道方案，即探測(cè)器在環(huán)月軌道上的飛行方向與月球自轉(zhuǎn)方向相反。選擇逆行軌道方案并非為了標(biāo)新立異，而是由嫦娥六號(hào)的任務(wù)特點(diǎn)所決定的。

作為“嫦娥家族”的一員，嫦娥六號(hào)沿襲了“前輩”已有的構(gòu)型布局和硬件產(chǎn)品，但著陸位置卻由月球的北緯地區(qū)變化為南緯地區(qū)。由于太陽(yáng)始終直射在月球赤道附近的區(qū)域，如果仍然采用原有的環(huán)月順行軌道方案，探測(cè)器在月球南半球著陸時(shí)相比嫦娥五號(hào)任務(wù)會(huì)出現(xiàn)受曬面調(diào)轉(zhuǎn)180°的情況，即：探測(cè)器本應(yīng)朝陽(yáng)的一側(cè)處于陰影中，而應(yīng)當(dāng)處于陰影環(huán)境的一側(cè)處于光照中，這會(huì)影響采樣過(guò)程中的能源供給、采光等條件。針對(duì)這一難點(diǎn)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)先后考慮了多種措施和方案，比如重新調(diào)整探測(cè)器的構(gòu)型布局適應(yīng)朝向需求，或是在下降過(guò)程中進(jìn)行大幅度姿態(tài)調(diào)整，但這些措施要么會(huì)帶來(lái)重大的技術(shù)狀態(tài)調(diào)整，要么會(huì)增加在軌實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)。

解決難題的“關(guān)鍵一棒”最終交到了軌道設(shè)計(jì)師手中。經(jīng)過(guò)充分分析研究，軌道設(shè)計(jì)師為嫦娥六號(hào)探測(cè)器巧妙設(shè)計(jì)了環(huán)月逆行軌道方案。該方案通過(guò)調(diào)轉(zhuǎn)飛行軌道的方向，化解了因采樣區(qū)域位置變化帶來(lái)的朝向變化問(wèn)題，同時(shí)也避免了構(gòu)型布局和硬件產(chǎn)品的大幅度調(diào)整，順利化解了因著陸點(diǎn)變化帶來(lái)的朝向、姿態(tài)等問(wèn)題。

通過(guò)環(huán)月逆行軌道方案，圓滿解決了南緯著陸的朝向難題，但仍存在一個(gè)問(wèn)題：探測(cè)器在近月制動(dòng)時(shí)，處于月球背面的無(wú)測(cè)控區(qū)域。即便探測(cè)器具備在無(wú)測(cè)控條件下獨(dú)立執(zhí)行軌控的能力，為了保障重要軌道控制的安全性，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)決定由鵲橋二號(hào)中繼星為近月制動(dòng)軌道控制過(guò)程提供中繼測(cè)控支持，這樣就能確保變軌全程測(cè)控可見(jiàn)。至此，設(shè)計(jì)師們通過(guò)周全的設(shè)計(jì)和考量，既有效發(fā)揮了逆行軌道的優(yōu)勢(shì)，又彌補(bǔ)了其測(cè)控不可見(jiàn)的缺陷。

巧借力，近月制動(dòng)更省勁

嫦娥六號(hào)任務(wù)不同于嫦娥五號(hào)任務(wù)的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是三次近月制動(dòng)方案。這一方案的選擇同樣也是圍繞著嫦娥六號(hào)任務(wù)自身特點(diǎn)所作出的軌道方案優(yōu)化升級(jí)。

嫦娥六號(hào)任務(wù)將要著陸的月球背面地形崎嶇不平，相比月球正面廣闊的平原地形，月背可供安全著陸區(qū)域的數(shù)量和面積都大幅減少，這對(duì)于著陸精度提出了更高的要求。另外，嫦娥六號(hào)著陸過(guò)程也并非獨(dú)立完成，需要與中繼星協(xié)同配合，在規(guī)定時(shí)間和規(guī)定的軌道位置上實(shí)施著陸下降，是保障系統(tǒng)間良好協(xié)作的必要條件。因此，嫦娥六號(hào)探測(cè)器需要具備定時(shí)定點(diǎn)著陸的能力。

在通常的軌道設(shè)計(jì)中，定時(shí)定點(diǎn)著陸是通過(guò)對(duì)軌道面進(jìn)行控制調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而“逆向而行”的嫦娥六號(hào)，并未預(yù)留用于調(diào)整軌道面的推進(jìn)劑，這就要求既要調(diào)整軌道面，又不能增加推進(jìn)劑消耗，對(duì)軌道設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，軌道設(shè)計(jì)師們?cè)俅翁岢隽艘粋€(gè)巧妙的方案，即利用不同周期環(huán)月橢圓軌道面的特性，確定軌道面調(diào)整量對(duì)應(yīng)的停泊軌道飛行時(shí)間，充分利用從捕獲到下降前的20多天飛行時(shí)間，在不額外消耗推進(jìn)劑的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)著陸點(diǎn)的高精度瞄準(zhǔn)，做到借力打力、順勢(shì)而為。

后續(xù)，在鵲橋二號(hào)中繼星的支持下，嫦娥六號(hào)探測(cè)器將調(diào)整環(huán)月軌道高度和傾角，擇機(jī)實(shí)施軌道器返回器組合體與著陸器上升器組合體分離，之后，著陸器上升器組合體實(shí)施月球背面南極-艾特肯盆地軟著陸，按計(jì)劃開(kāi)展月球背面采樣返回任務(wù)。前面還有更多難關(guān)等待著“六姑娘”去闖，讓我們繼續(xù)期待“六姑娘”的取“寶”之旅。

來(lái)源：中國(guó)空間技術(shù)研究院