两年前，中国“牧星人”救回一颗重磅卫星
《环球时报》专访西安卫星测控中心“救星”团队：两年前，中国“牧星人”救回一颗重磅卫星
本报记者 樊 巍 本报特约记者 吕炳宏 田 枝
编者的话：2020年7月31日宣布全面建成的北斗三号全球卫星导航系统，是过去十年中，中国航天最为耀眼的成就之一。这项由中国自主建设、独立运行的全球卫星导航系统，在维护国家安全、服务经济社会发展方面发挥了不可替代的作用。从1994年正式启动至2020年全面建成，北斗卫星导航系统耗时26年，共组织了44次北斗发射任务，先后将59颗北斗卫星送入预定轨道，任务成功率达到100％。
惊心动魄的5分钟
2020年3月9日19时55分，我国在西昌卫星发射中心，运用长征三号乙运载火箭，将北斗三号GEO-2卫星顺利送入近地点200余公里，远地点3.6万余公里的大椭圆轨道，随着卫星太阳能帆板打开，此次发射任务取得圆满成功。作为北斗三号全球卫星导航系统的第29颗卫星，北斗三号GEO-2卫星的发射成功，意味着中国北斗距离全球组网仅有一步之遥。
然而在西安卫星测控中心，发射成功的大红屏却昭示着中国“牧星人”后续更加繁重任务的开始。按照计划，北斗三号GEO-2卫星在进入大椭圆轨道后，将实施数次变轨，逐步抬升卫星轨道近地点的高度，降低轨道倾角。最终目标是让卫星进入距离地球3.6万余公里的地球静止轨道。
在发射第二天进行的首次变轨中，一切如常，但在实施第二次变轨过程中，意外发生了。在卫星主发动机持续点火十几分钟后，遥测数据显示，卫星的姿态突然出现异变趋势。“指挥大厅的屏幕上显示，有一个干扰力矩导致卫星的姿态出现扰动。”西安卫星测控中心高级工程师王鑫告诉《环球时报》记者，这就好比一个人本来站姿端正，却突然出现一股外力，把这个人向左边猛推一下，又向右边猛推一下。
卫星姿态的异常通常会引发一系列灾难性后果。王鑫介绍称，卫星姿态不稳会导致星上的器件受损，以至于彻底无法工作，更严重的是可能会造成卫星与地面之间的通信中断，导致地面人员无法对卫星进行监测和控制。
通常而言，每一次发射任务，在西安卫星测控中心的指挥大厅内，会有飞控团队和卫星研制方的技术团队共同执行早期的测控任务，以便更好地掌握卫星的相关情况和状态。但2020年3月正值新冠肺炎疫情肆虐全国，卫星研制方技术团队虽然也在西安卫星测控中心，但出于疫情防控要求，两个团队只能分散于两个工作厅内执行此次任务，在卫星突发故障的危急时刻无法面对面分享数据，交流想法，只能通过电话和调度人员商讨解决措施，在那个千钧一发的时刻，这无疑给应急处置增添了难度。
面对大红屏上显示卫星干扰力矩数据持续加大的危险局面，地面飞控人员通过研判后决定为卫星设置一个临界参数，一旦卫星姿态异变的参数达到这个值，地面人员就必须立马发送指令紧急关闭卫星的主发动机，确保卫星的安全。“当时的情况是：如果卫星姿态异变参数超过这个临界点，卫星就有可能会失联、失控，在那之前如果我们还没有实施主发动机关机，那么卫星就再也无法接受指令实施关机了，最终卫星处于什么状态，飞到了哪个地方我们都无法知道。”王鑫介绍称，因为当时卫星的动力系统中只有主发动机在工作，因此大家初步研判应该是卫星的主发动机出现问题才导致卫星姿态的异变，一旦关闭主发动机，卫星的姿态应该能够稳住。
最终，在卫星姿态出现异变情况5分钟后，异变参数到达临界点，地面人员紧急发送指令实施卫星主发动机关机。关机后，指挥大厅的大屏幕上很快就显示卫星姿态异变趋势逐渐减缓。
荡气回肠的20天
把卫星从失控的边缘救回来并不能让地面飞控人员松一口气。作为北斗三号卫星系统中功能最多、信号最多、体形最大、寿命最长的一型卫星，北斗三号GEO轨道卫星的造价自然不菲，如果因为主发动机故障导致卫星无法爬升到地球静止轨道，从而失去应有的作用，无疑将造成巨大经济损失。
此外，按照北斗三号全球卫星导航系统的整体规划，自2017年11月开始，要在两年多的时间内通过高密度的18次发射完成30颗北斗三号卫星的部署，从而实现北斗三号卫星的全球组网。王鑫介绍称，这个组网计划十分饱满，且环环相扣，对于整个大工程的各大系统来说，都很难有“余量”在预定时间内补发一颗卫星补缺。“作为系统全面建成前的倒数第二颗组网卫星，北斗三号GEO-2卫星如果未能正常投入运行，至少还需再等上一年时间才能完成‘替补’卫星的发射，这意味着2020年完成组网的预期目标将难以实现，全面建成北斗三号全球卫星导航系统的相关计划都将推迟。”
面对这样一颗不容有失的卫星，现场这些跟随北斗工程一路走来的任务人员都不甘心放弃。在化解卫星失控危机之后，地面飞控人员随即发送指令让卫星姿态逐渐恢复正常，并进入安全工作模式，随后就开始同卫星研制方的技术团队一起对卫星异常的现象和数据开展细致分析，试图尽快定位卫星的故障点。
结合分析的结果，卫星研制方通过仿真等手段在地面上进行“复盘”性质的试验，结果发现卫星之所以出现姿态失控，是因为主发动机喷管的喉部出现了烧蚀现象。“通俗而言就是卫星主发动机喷管的喉部烧出了一个洞，这就会导致发动机的推力不稳定，烧穿的地方漏出的工质对卫星的姿态造成了扰动，导致卫星姿态异变。”王鑫称。
彼时，卫星滞留在近地点高度6000余公里的过渡轨道，想要继续爬升到地球静止轨道就必须依靠卫星自身的动力系统将近地点高度再抬升3万余公里。由于此前的变轨方案都是围绕卫星主发动机正常工作的情况而制定，因此有一种声音主张，既然卫星的姿态已经稳定了，那么就可以尝试重新点燃卫星主发动机，按原计划实施变轨。
但有另一种声音却认为，因为卫星主发动机喷管的烧蚀点始终会产生干扰力矩，影响卫星姿态的稳定，而且喷出的工质有可能会对离喷管较近的星上部件造成损害，这个方案风险太大。于是一种更为复杂但却更加安全的方案最终胜出：放弃卫星的主发动机，而是选用星上推力更小、用以维持卫星姿态稳定的姿轨控推力器实施更多次变轨。
然而这种方案在实施过程中也要面临多种限制因素。王鑫介绍称，在卫星变轨过程中，随时掌握卫星状态，及时发送指令精准实施卫星推力器开关机尤为关键，这就需要保证地面与卫星之间星地测控链路畅通。但由于我国测控网规模有限，无法实现卫星在轨运行的全弧段测控，因此在卫星变轨点的选择上，除了要尽量靠近变轨时最“省时省力”的轨道远地点之外，变轨点还必须在我们的测控范围内。
此外，在这个更为复杂的变轨过程中，还需要尽量节省卫星燃料，减少对卫星姿轨控推力器寿命的影响。“这就需要我们制定合理的点火策略，优化卫星燃料消耗、点火轨道位置和点火弧段，在不同的变轨点采用不同推力器组合实施点火，这样才能规避因为执行应急变轨任务，对卫星姿轨控推力器的超寿使用。”王鑫称。
在综合考虑到各种因素后，经过任务团队细致计算，最终搭配出三套推力充足的姿轨控推力器组合，制定好每组推力器的合理工作时长，调整好推力器喷气方向。在经过试点火，确认每套推力器组合都能确保卫星的姿态稳定后，最终开始实施这场扣人心弦的变轨计划。
3月28日，在耗时近20天，实施近20次精确变轨后，北斗三号GEO-2卫星最终依靠星上十余台姿轨控推力器，实现了持续抬升轨道高度，逐渐压低轨道倾角，顺利定点于离地3.6万余公里的地球静止轨道。这颗事关北斗工程建设全局的卫星最终被成功救回。
更加难能可贵的是，后续经过西安卫星测控中心技术人员的测算，这次意料之外的“救星”任务并未对卫星的设计使用寿命造成明显影响。王鑫介绍称，得益于卫星研制团队的冗余设计，卫星实际携带的燃料量以及星上器件的实际使用年限都超过设计使用年限，“在这场‘救星’任务中我们也制定了最优化的变轨策略，最终卫星的剩余使用寿命依旧能够大于设计使用寿命。”
灿烂辉煌的十年
“太空资产是国家战略资产，要管好用好，更要保护好。”在过去十年中，我国的在轨卫星数量越来越多，功能越来越强，价值也越来越大，作为中国太空资产最为坚实的守护者，西安卫星测控中心“牧星人”团队不辱使命，在浩瀚的宇宙中书写了更多的“隐秘而伟大”。
“中国卫星数量的日益增长，以及太空环境的越发复杂，意味着我们所承担的任务越来越繁重，但意义也越来越重大。”西安卫星测控中心正高级工程师杨永安告诉《环球时报》记者，如今，西安卫星测控中心长期管理的各类卫星数量已经达到300多颗，其中1/3以上的卫星处于超期服役状态，这些长期在轨运行的卫星难免会因为设备、器件老化等问题出现故障，但凭借出色的运维，卫星目前工作状态依旧良好，在太空中为服务国计民生发挥余热。
让“中国星”在太空中持久闪耀的秘诀在于过硬的本领和勇于担当的精神。杨永安表示，在过去十年中，西安卫星测控中心开展了多项创新性探索，目前已形成对在轨卫星“体检”“诊断”和“救治”的全流程故障诊断与维修能力。总结历年执行测控任务经验所制定的卫星故障分析预案以及抢救预案，能够处置目前出现的大部分卫星故障，也正是在这套体系的保障下，西安卫星测控中心“牧星人”团队在近十年内，成功完成包括中星9A、北斗三号GEO-2卫星在内的多次卫星抢救任务，创造了许多太空奇迹。
然而，让卫星“重生”所创造的价值并不总能为人所知。就像许多其他航天系统一样，“干惊天动地事，做隐姓埋名人”也是深植于西安卫星测控中心的传统和信念。▲