嫦娥四號“出閣”需擇“良辰吉日”

▲ 發射塔架上的長征三號乙運載火箭

2018年12月8日凌晨，伴隨著一聲巨大的轟鳴，西昌衛星發射中心的黑夜被一束亮光撕出了一個口子。隨即，這道亮光劃出一道美麗的拋物線，飛向天際。

是夜，我國用長征三號乙運載火箭成功發射嫦娥四號探測器，這一重要的歷史時刻定格在2點23分。

如同婚嫁喜事需要良辰吉日，“嫦娥四號”發射的日子也十分講究，發射時間是技術人員經過千挑萬選確定的。

兩天只有四窗口時間僅為6分鐘

每一次火箭發射都有一個比較適合發射的時間范圍。這個范圍是根據航天器本身的要求及外部多種限制條件（比如軌道要求等），經綜合分析計算后確定的。范圍的大小也叫發射窗口的寬度，窗口寬度有寬有窄，寬的以小時計，甚至以天計算，窄的只有幾十秒，甚至為零。

▲ 整流罩吊裝

▲ 火箭吊裝

▲ 轉運

與普通的發射相比，探月發射窗口的選擇要復雜且困難得多。“在進行‘嫦娥四號’探月發射窗口選擇時，需要考慮很多約束條件，要確保航天器與日、地（包括地面點和近地軌道）、月（包括著月點）的相對關系滿足月背著陸的需求。”中國航天科技集團有限公司一院長征三號甲系列型號辦公室副主任覃藝介紹。

首先，奔月軌道需要調整近月點經度和飛行時間，使得環月軌道能夠飛臨著月點上空，為“嫦娥四號”落月創造條件；其次，在奔月飛行的過程中，需要考慮探測器太陽帆板的受曬問題，要求太陽光入射方向與太陽帆板之間的夾角保持在一定范圍內，這樣才能保證航天器的能量供應；最后，在奔月和登月過程中，要求航天器能夠連續測控，保持與地球的聯系。

“諸多約束的作用并不是相同和均等的，有些約束會決定發射的月窗口，而有些約束則決定發射的日窗口，發射窗口就是在這些約束作用下形成的發射機會的交集。‘嫦娥四號’要在月背著陸，各種約束關系更加復雜，因此發射窗口只有幾分鐘。”覃藝說。

經過大量的計算，技術人員為“嫦娥四號”發射確定了4個窗口。雖然窗口有4個，但分布在連續的兩天里，1天2個發射窗口，窗口之間相隔46分鐘，每天窗口的有效寬度分別是2分鐘和1分鐘。

這就意味著留給“嫦娥四號”的發射窗口時間總共只有6分鐘。

“窄窗口發射+多窗口切換”讓火箭準時升空

“嫦娥四號”發射窄窗口，對運載火箭的適應能力提出了前所未有的挑戰。為了確保火箭可以在發射窗口要求時間內準時發射，研制團隊對軌道設計和產品可靠性都進行了改進。

“一方面采用適應多窗口、窄窗口約束的軌道設計技術，另一方面對火箭主要分系統和重要單機采取可靠性設計和冗余改進，確保滿足窄窗口發射約束。”長三乙火箭總指揮金志強說。

同時，作為使用液體燃料的運載火箭，一旦因故錯過發射窗口，只能泄出推進劑，再次組織發射。這樣一來，發射任務將大大推遲，進而對整個工程帶來無法挽回的損失。

為確保“嫦娥四號”的如期發射，適應兩天四窗口的發射需求，火箭控制系統采用了“窄窗口發射+多窗口切換”技術。“簡單說，就是通過對飛行軟件諸元的‘在線裝訂’，實現一天內不同飛行時序的切換，以適應多窗口發射的任務需求。”覃藝說。

目前，控制系統飛行軟件諸元已實現了在線裝訂，可在射前將修改的軟件通過串口直接上傳至箭上計算機。飛行軟件采用多窗口狀態切換技術，通過地面測發控系統的配合，實現一天中對兩套飛行時序的切換。

此外，長三乙火箭總體研制團隊勇于挑戰，迎難而上，提出了低溫推進劑加注后停放24小時進入第二天發射窗口的技術方案，極大提高了火箭的適應能力。

“這不僅為任務的順利實施提供了強有力的保障，也使我國低溫運載火箭的發射保障能力取得了突破，為我國后續新型低溫運載火箭的研制提供了技術基礎。”金志強說。