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。作為地月系內(nèi)的五個平動點之一，L2點位于地月連線的延長線上，隨著月球以相同角速度繞地運行。因該點獨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器以拓展試驗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)計團隊承擔(dān)了這所“太空驛站”的軌道設(shè)計工作。

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，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點開展拓展試驗，是我國首次日地平動點任務(wù)，其任務(wù)軌道正是由深空軌道團隊的大師姐——周文艷研究員設(shè)計的。

在2011年完成日地平動點任務(wù)軌道設(shè)計后，2014年探月三期飛行試驗器又迎來拓展任務(wù)，任務(wù)目標(biāo)之一就是地月系L2點。當(dāng)時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絕佳的機會，可以對中繼星的軌道方案進行在軌驗證。她提前策劃，在深空軌道設(shè)計團隊的協(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)艙驗證基于月球引力輔助的地月L2點轉(zhuǎn)移軌道方案。這一方案巧妙地借助月球引力降低進入流形的速度需求，其速度增量遠低于直接轉(zhuǎn)移，飛行時間又遠短于低能轉(zhuǎn)移，極為適合工程實施。同年11月飛行試驗器服務(wù)艙成功進行了在軌驗證，這是國際上首次通過月球借力到達地月L2點的轉(zhuǎn)移飛行，有效證明了這一轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計方法的正確性。

2015年底，嫦娥四號任務(wù)正式立項，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，通過大量計算分析和優(yōu)化設(shè)計，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)定運行

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在地月平動點開展中繼任務(wù)對于全人類的航天工程來說都實屬第一次，平動點軌道類型多樣，且個個形態(tài)獨特，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)的使命軌道是個講究活兒。

時值2016年，中繼星進入方案研制階段，設(shè)計師高珊就是在這個時候參與進了中繼星的軌道設(shè)計工作，在周文艷的帶領(lǐng)和指導(dǎo)下，她很快進入了狀態(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，最終確定了halo軌道作為中繼使命軌道。

同時，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)的有利機會，查閱了大量文獻；高珊則在地球這邊負責(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)計師之間的交流，隔著12小時的時差，一個技術(shù)問題經(jīng)常要討論上好幾天。經(jīng)過反復(fù)計算比較，并與國外文獻數(shù)據(jù)對比確認，設(shè)計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，平動點軌道設(shè)計技術(shù)從無到有，逐漸積微成著。如今凝結(jié)著設(shè)計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，憑君傳語報平安，我們期待著它平安到達月之彼端，完滿完成任務(wù)使命。