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天地大营救:走近卫星“起死回生”背后的“牧星人”

2017-07-24 10:42:09 来源:http://www.tscmc.com 编辑:tengyii 我要评论
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西安卫星测控中心神舟十一号搜索回收任务演练场景。西安卫星测控中心供图

  过去一个月里,中国航天几乎是在全球公众面前上演了一场“反转剧”:6月19日,传来火箭发射异常的消息,中星9A卫星未能进入预定轨道;7月5日,航天人通过轨道调整,又将这颗卫星从半空中“救出”,送入预定轨道。

  消息公开后,一个充满神秘色彩的单位再次走进公众视线:中国西安卫星测控中心――我国组建最早、规模最大、功能最全的航天器测控与管理中心。正是该中心主导了这次天地之间的“营救”事件。

  鲜为人知的是,在此之前,这里就曾成功抢救过10余颗重大故障卫星,并长期管理着我国几乎所有的航天器――目前已超过100多颗卫星。也因此,这个中心被称作“中国卫星大管家”。

  近日,中国青年报?中青在线记者走进中国西安卫星测控中心,试着了解这些太空“牧星人”,以及卫星发生故障时,这里上演的一场场起死回生、力挽狂澜的“天地大营救”。

  “拯救”中星9A,比常规抢救节省100公斤燃料

  尽管已经过去半个多月,但说起中星9A,牵头负责“营救”工作的西安卫星测控中心测控技术部副总工程师杨永安仍有些激动:“这次应急处置技术难度大、风险高、过程复杂,有很多不确定因素,遇到的技术难题和最后采用的抢救方案,都是前所未有的。”

  6月19日0时11分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭发射中星9A广播电视直播卫星,发射过程中出现异常,卫星未能进入预定轨道。

  西安卫星测控中心技术部负责轨道控制的工程师孙守明告诉中国青年报?中青在线记者,中星9A的预定初始轨道远地点高度为4.2万公里,而卫星实际入轨后初始轨道远地点高度只有1.6万公里,相差了2.6万公里,“如此大的入轨偏差,以前很少遇到”。

  不过这在孙守明看来并非“真正意义上的失败”。包括他在内的“牧星人”可以在地面控制卫星,利用卫星自身携带的推进剂实施变轨控制,使卫星最终进入同步轨道。

  但棘手的是,如何通过测控手段,让茫茫太空中的卫星,回到它原本要去的“位置”。

  如果按照预案中的措施进行抢救,卫星远地点轨道高度至少要高于2万公里,而中星9A的远地点高度仅有1.6万公里。孙守明说,“虽然大家积累了不少卫星抢救、应急变轨的经验,但这种情况在历史上尚属首次,操作起来有许多新难题。”

  “牧星人”最终的选择是,通过卫星自带的发动机在近地点点火,尽量抬高远地点高度到同步轨道“实现自救”,以完成三级火箭“未竟的事业”。

  值得一提的是,在这个新方案中,“牧星人”选择了一种最省燃料的变轨策略。按照杨永安的说法,如果在整个变轨过程中,卫星燃料耗尽,那么就算把卫星送到定点位置,也会成为一颗“死星”。

  “我们要做的,不仅是要把卫星送到预定位置,还要让它尽可能地‘活下去’。”他说。

  7月5日21时,经过西安卫星测控中心16天的抢救,在实施10次轨道调整、6次定点捕获后,中星9A成功定点于东经101.4度赤道上空的预定轨道――抢救工作成功。

  杨永安说,这次抢救首次实现了我国地球同步卫星转移轨道段的近地点变轨,大大提高了对卫星异常情况下变轨控制的能力。

  他还透露,在整个应急变轨控制过程中,卫星推进剂实际消耗量远远低于预期。测控中心工作人员提出的抢救方案与常规抢救方法相比,为卫星节省约100公斤燃料。

  卫星一旦出事,救不回来就沦为太空垃圾

  这只是“牧星人”拯救卫星的一个缩影。

  根据西安卫星测控中心披露的数据,迄今为止,该中心先后参与抢救了10余颗重大故障卫星。

  熟悉航天的人都知道,对任何一颗卫星来说,点火发射只是拉开了其飞天使命的“帷幕”。每当烈焰飞腾、大地震颤、直刺青天的景象过后,卫星还要在地面测控系统的跟踪、测量与控制下,进入预定轨道,此后,这颗卫星才真正开始工作。

  相应地,卫星在轨运行管理“大戏”上演,“牧星人”开始担任主角。卫星在轨运行,短则一两天,长则10年以上,运行时间较长的卫星被称为长期在轨卫星。时间越长,对地上“牧星人”的考验也就越大。

  西安卫星测控中心航天器长期管理部主任刘军给出一个形象的说法:地球周围环绕着电视转播、气象预报等大量卫星和太空碎片,在这些拥挤不堪的太空轨道上,一旦发生碰撞后果很难想象。加之航天器运行速度是高铁的几十倍,即使撞上很小的物体,也很可能粉身碎骨。

  这就需要长期管理人员,“每分每秒”盯着这些卫星,“如果卫星发生异常,不能有效注入控制指令,卫星无法转入正常运行姿态,造价不斐的卫星,就将沦为毫无用处的太空垃圾”。

  至今,西安卫星测控中心技术部高级工程师韩忠民还记得,2006年10月23日深夜,自己刚躺下不久,家里的电话突然响了:我国一颗遥感卫星出问题了――姿态失控,下行信号时有时无,地面发送的遥控指令卫星基本不执行。

  彼时,这颗卫星已经在轨运行了180天――已经不是一颗“新星”了。只是突然之间,卫星就像断了线的风筝,“失联”了!

  包括韩忠民在内的“牧星人”,足足花了69天,才把这颗卫星抢救过来。

  让人没想到的是,这场战役刚刚结束,另一场战役又随即打响。2007年2月3日,刚发射不久的一颗北斗卫星也跟着出现故障。

  与上一颗卫星抢救有所不同,这颗星压根儿就没有下行信号,连卫星到底在哪儿都不知道。当时不少业内人士认为,这颗卫星已经彻底失控,起死回生的可能性微乎其微。

  “牧星人”不愿放弃。又一个60天,抢救工作得以成功。

  韩忠民说,这两次抢救任务间隔时间短、持续时间长、技术难度大,都创造了我国航天历史之最。

  “很多”卫星在超期服役,给国家节省资金上亿元

  当然,一个不可避免的问题是,拯救卫星需要消耗燃料,一旦燃料耗尽,卫星就会因失去轨道修正能力,逐渐报废。“牧星人”则会变着法地节省燃料,让卫星“延年益寿”。

  工程师李方正至今记得,2009年9月9日,他所在的西安卫星测控中心过了一个别开生面的生日会:桌上摆放的生日蛋糕,由蓝色奶油雕琢的地球,黄色柠檬勾勒的中国版图,巧克力制作的太阳能帆板,镶嵌在白色卫星上――生日的主角是实践六号A/B双星。

  这一天,这两颗正在万里高空翱翔的“寿星”年满五周岁――而卫星原本设计寿命只有两年。如今这对卫星已超期服役10多年,是名副其实的“老寿星”。

  这也并非个案。中国青年报?中青在线记者从西安卫星测控中心了解到,目前还有“很多卫星”都在超期服役。

  按照刘军的说法,卫星超期服役就相当于一颗卫星干了多颗卫星的工作,由于卫星制造、发射成本高,测控人员的“精测妙控”相当于给国家节省大量资金,如果再算上抢救来的10多颗卫星,就已经为国家挽回了数十亿元的经济损失。

  就在去年6月,中国卫通公司一行3人专程来到西安卫星测控中心,赠送锦旗,对后者消除某卫星通信转发器干扰问题表示感谢。

  刘军还记得,当时卫通公司一位负责人提到,消除干扰的任务完成后,受影响的卫星十几兆珍贵的通信带宽资源得以释放,直接经济效益上千万元。

  “我们谁都不能否认,航天事业具有高风险、高投入的特性。受空间环境干扰与设备、器件寿命等因素影响,在轨卫星故障时有发生,保护这些宝贵的国家太空资产,是我们这些‘牧星人’的使命。”刘军说。

  事实上,随着我国在轨卫星数量的不断增多,卫星故障率也随之增加,迫切需要提高卫星远程诊断维修能力。

  西安卫星测控中心航天器长期管理部高级工程师李卫平说,“牧星人”专门按照信息化、可视化、快速化三个步骤攻坚,获取了卫星诊断维修的“行医资格证”。

  几年前,西安卫星测控中心管理卫星约为80多颗,卫星故障率为每天2.7次;按照该中心最新披露的数据,2017年,卫星数量大幅增加,故障率却下降了50%。

  李卫平告诉中国青年报?中青在线记者,近几年为适应建设航天强国的形势要求,该中心利用人才资源优势加强相关研究,这其中专门收集整理国内外千余次故障案例,建立10多万条诊断知识,自主研发了一套航天器故障诊断专家系统。据他透露,这套系统运行以来,累计发现卫星各类故障几百余起。

  相应的是,几百余起卫星故障被消灭在萌芽状态。

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