作為嫦娥四號任務(wù)的重要組成和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，中繼星的軌道“選址”在地月系拉格朗日L2點(diǎn)。作為地月系內(nèi)的五個(gè)平動點(diǎn)之一，L2點(diǎn)位于地月連線的延長線上，隨著月球以相同角速度繞地運(yùn)行。因該點(diǎn)獨(dú)特的空間位置和動力學(xué)特性，環(huán)繞在其附近的航天器可以始終飛行在月背面上空。此前，僅有美國的Artemis任務(wù)和中國的探月三期飛行試驗(yàn)器以拓展試驗(yàn)的名義短暫造訪過這片神奇的空域。

來自中國空間技術(shù)研究院的深空探測軌道設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了這所“太空驛站”的軌道設(shè)計(jì)工作。

月球借力，前世今生

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月球借力，前世今生

說起平動點(diǎn)，就不能不提及嫦娥二號。2011年，嫦娥二號探測器完成探月任務(wù)后飛往日地系L2點(diǎn)開展拓展試驗(yàn)，是我國首次日地平動點(diǎn)任務(wù)，其任務(wù)軌道正是由深空軌道團(tuán)隊(duì)的大師姐——周文艷研究員設(shè)計(jì)的。

在2011年完成日地平動點(diǎn)任務(wù)軌道設(shè)計(jì)后，2014年探月三期飛行試驗(yàn)器又迎來拓展任務(wù)，任務(wù)目標(biāo)之一就是地月系L2點(diǎn)。當(dāng)時(shí)已然參加嫦娥四號論證工作的周文艷敏銳地意識到這是一個(gè)絕佳的機(jī)會，可以對中繼星的軌道方案進(jìn)行在軌驗(yàn)證。她提前策劃，在深空軌道設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的協(xié)作下，基于嫦娥四號前期論證工作基礎(chǔ)，提出了通過服務(wù)艙驗(yàn)證基于月球引力輔助的地月L2點(diǎn)轉(zhuǎn)移軌道方案。這一方案巧妙地借助月球引力降低進(jìn)入流形的速度需求，其速度增量遠(yuǎn)低于直接轉(zhuǎn)移，飛行時(shí)間又遠(yuǎn)短于低能轉(zhuǎn)移，極為適合工程實(shí)施。同年11月飛行試驗(yàn)器服務(wù)艙成功進(jìn)行了在軌驗(yàn)證，這是國際上首次通過月球借力到達(dá)地月L2點(diǎn)的轉(zhuǎn)移飛行，有效證明了這一轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)方法的正確性。

2015年底，嫦娥四號任務(wù)正式立項(xiàng)，在已有的月球借力轉(zhuǎn)移方案基礎(chǔ)上，針對中繼星特有的任務(wù)需求，周文艷又開展了軌道關(guān)鍵參數(shù)的特性研究，通過大量計(jì)算分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，為中繼星選定了速度增量最優(yōu)的轉(zhuǎn)移軌道方案。

中繼使命，穩(wěn)定運(yùn)行

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在地月平動點(diǎn)開展中繼任務(wù)對于全人類的航天工程來說都實(shí)屬第一次，平動點(diǎn)軌道類型多樣，且個(gè)個(gè)形態(tài)獨(dú)特，與傳統(tǒng)的繞地/月軌道形狀迥異，如何為中繼星挑選一條適合中繼任務(wù)的使命軌道是個(gè)講究活兒。

時(shí)值2016年，中繼星進(jìn)入方案研制階段，設(shè)計(jì)師高珊就是在這個(gè)時(shí)候參與進(jìn)了中繼星的軌道設(shè)計(jì)工作，在周文艷的帶領(lǐng)和指導(dǎo)下，她很快進(jìn)入了狀態(tài)。“考慮到避免月球的遮擋，類型選擇了halo軌道。但軌道尺寸是個(gè)問題，不能太大，不然月面的著陸器看不著；也不能太小，否則還是會出現(xiàn)月掩，擋住與地球的通信。”她們與衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)人員反復(fù)迭代、討論，梳理出各分系統(tǒng)對軌道的約束和需求，綜合比較各種參數(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定了halo軌道作為中繼使命軌道。

同時(shí)，為了解決軌道穩(wěn)定性問題，周文艷趁著她赴加拿大訪學(xué)的有利機(jī)會，查閱了大量文獻(xiàn)；高珊則在地球這邊負(fù)責(zé)誤差精度指標(biāo)的分析和協(xié)調(diào)工作。太平洋也不能阻礙兩位設(shè)計(jì)師之間的交流，隔著12小時(shí)的時(shí)差，一個(gè)技術(shù)問題經(jīng)常要討論上好幾天。經(jīng)過反復(fù)計(jì)算比較，并與國外文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對比確認(rèn)，設(shè)計(jì)師們最終為中繼星選擇了擬halo的軌道維持策略。

十年磨一劍，一朝試鋒芒，平動點(diǎn)軌道設(shè)計(jì)技術(shù)從無到有，逐漸積微成著。如今凝結(jié)著設(shè)計(jì)人員心血和智慧的嫦娥四號中繼星踏上征程，地月道遙書信難，憑君傳語報(bào)平安，我們期待著它平安到達(dá)月之彼端，完滿完成任務(wù)使命。