在嫦娥四号平稳落月的一刻，嫦娥四号探测器项目执行总监张熇激动地掩面而泣，叶培建院士走到张熇身边，紧紧握住她的手。这个感人的瞬间被摄影师记录了下来，这张照片背后，则是一个不为人知的惊人故事
本文节选自北京航天飞行控制中心所著的《月背征途》第四章：登陆月背，惊心动魄72小时；第一节“不平凡的登月之路”。这本书由“中国探月三驾马车”之中国科学院、工程院院士孙家栋、欧阳自远院士，以及吴伟仁、叶培建院士联袂推荐。
意外发生
俗话说，天有不测风云。“嫦娥四号”奔月之旅完美开局后不久就出现了突发状况。
2018年12月8日上午9时，正当飞控专家们审议第一次中途修正控制策略时，一个紧急情况传到了会场，探测器燃料意外泄露。初步计算的燃料损失量已远超推进剂设计余量，这意味着如果还按照前期反复论证和演练的轨道控制方案，“嫦娥四号”将无法安全落月，从而直接导致整个任务前功尽弃。
这时现场一名专家提出，如果把每个阶段的预留余量都拿出来，还差将近10千克的燃料，建议从动力下降的燃料中再抠出10千克进行补充。对此，飞控中心主任、“嫦娥四号”任务测控通信系统总指挥坚决反对：“动力下降关系落月安全，别说10千克了，就是1克都不能抠。”总指挥的态度不容置疑，但他也同时给出了另一个解决方案：“整个轨道控制方案是飞控中心轨道专家组合探测器系统共同设计的，现在最好的方法是让他们重新设计一个更安全的控制方案。”
这一次，还能去月背吗？
轨道重构
由于月别地形远比月球正面复杂，为了确保安全，工程总体要求“嫦娥四号”按照定时、定点着陆的方案实施动力下降、相对于“嫦娥三号”任务，这次“嫦娥四号”的月背软着陆控制精度要求更高了，然而燃料却几乎没有冗余，这意味着留给飞控中心进行轨道控制设计的空间很小。
早在任务准备阶段，轨道专家组就经过反复研究论证，提出了一种新的联合优化控制技术，既能保证各个阶段定点、定时着陆的控制，还能为“嫦娥四号”的动力下降提供更多推进剂节余。
有了联合优化控制技术作为基础，故障通报不到2小时，轨道专家组就给出了一套初步可行的应急轨道重构方案。在之后的几天里，他们通宵达旦地连续奋战，一边对方案进行反复推敲、改进优化，持续减少控制量，一般用改进的联合优化控制计算软件分析验证，一套精确成熟的轨道重构设计方案终于如期交付，并顺利通过了评审。
由于奔月途中出现了燃料泄露，地月转移轨道不得不取消7500牛大推力发动机开机进行推力标定的计划。由于无法进行在轨推力标定，7500发动机推力评估不准将可能造成撞月的风险。
为了避免出现这个问题，新的控制方案对近月制动轨道控制目标进行了调整，首先把“嫦娥四号”控制到100千米×430千米的目标轨道，以确保在考虑7500牛发动机推力偏差较大的情况下不会撞月。在后续环月修正时，再将探测器控制到100千米×100千米的环月近圆轨道。这种控制策略有效的解决了7500牛发动机制动的安全性问题，同时可以检验发动机的工作状态。
令人惊叹的是，直到2019年1月3日实施动力下降时，“嫦娥四号”仍有近3千克的推进剂节余，没有动用1克动力下降的燃料。
然而，此时专家组提出了一个新的疑问：探测器一共有4个燃料储箱，包括了2个氧化剂贮箱和2个燃烧剂储箱，分布在探测器两侧，由于一侧的燃烧剂出现了泄露，探测器重心发生偏移，产生了较大的干扰力矩，影响落月的安全性。这又给飞控中心出了一个大难题，经过反复研究，最终决定在两次环月轨道修正时采用单个氧化剂贮箱和单个燃烧剂储箱供给的方案，以修正燃料储箱不均衡的问题。
同时，为了保证两个氧化剂储箱消耗的一致性，对第一次环月轨道修正的轨道目标再次进行调整，改为“两步走”方案：第一步实在第一次环月轨道修正时将“嫦娥四号”轨道从100千米×430千米调整到100千米×260千米的椭圆轨道；第二步是在第二次环月修正时再将轨道调整为100千米×100千米的近圆轨道。而且每次都使用单侧储箱工作消耗多的一侧，从而达到重心调整的目的。这样的控制方案既解决了燃料储箱重心不平衡的问题，还能保证动力下降时刻不变。
精确瞄准落点
根据飞控中心制订的轨道修正方案，“嫦娥四号”将于第二次环月轨道修正8天后到达冯·卡门撞击坑的预定区域。
事实上，“嫦娥四号”从中国西昌出发，经过连续25天几十万千米的长途旅程，经历坎坷，一波三折。其中，在飞控中心精确的控制下，它到达冯·卡门撞击坑上空的预订动力下降点与计划时间仅仅相差了19秒。按时到达预订终点。
动力下降是一个自主导航、自主避障的过程。“嫦娥四号”自身携带着高精度的陀螺和加速度计等惯性测量元件，可以精确测量动力下降过程中的位置、速度和姿态等参数的变化量。然而，要想实现精确落月的预定目标，有一个关键的前提因素就是精准的动力下降导航初始参数。这组参数是动力下降起始时刻的位置、速度和姿态，也是“嫦娥四号”后续自行计算导航参数的初始值。
经过第一轮计算分析和数据对比，“嫦娥四号”落点纬度偏差为0.01°。虽然这个数值远优于任务指标，但是飞控中心轨道团队认为这个偏差超出了正常对比范围，是由轨道符合双方计算模型与实际存在不一致造成的，还可以更加精确。为此，飞控中心轨道团队利用探测器系统给出的数据信息进一步优化和修正计算模型，将落点纬度偏差缩小为了0.001°，精确提高了整整10倍。
致此，降落月背的各项准备工作已经就绪，只等“嫦娥四号”落月时刻的到来。
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