◎ 吕炳宏 科技日报采访人员 付毅飞
2020年11月30日 ， 嫦娥五号探测器在环月轨道上 ， 成功实施着陆器上升器组合体与轨道器返回器组合体分离 。 接下来 ， 嫦娥五号将落月、采样 ， 如果一切顺利 ， 它将于半个多月后 ， 带着月球样品返回地球 。
这是我国迄今为止最复杂的宇航任务之一 。 后续难点不仅在于月面自动采样封装、月面起飞、月球轨道交会对接等 ， 带着月壤重返地球也是一大难题 。
文章图片
着陆器和上升器组合体与轨道器和返回器组合体分离示意图 。
人类航天器从太空返回 ， 最初是通过返回式卫星实现的 。 45年前 ， 我国首颗返回式卫星成功回收 ， 成为中国航天史上重要的里程碑 。
让我们来回顾一下当年的故事 。
1960年8月 ， 美国总统艾森豪威尔在例行的采访人员招待会上自豪地宣布：美国成功回收了一面由发现者13号卫星带往太空飞行后返回的美国国旗 。
然而 ， “发现者”并非艾森豪威尔所说的一项对太空环境的科研项目 ， 而是一项绝密的间谍卫星计划 。 发射这些卫星并不是为了送美国国旗上一趟太空 ， 而是拍摄并送回有关苏联的照片 。
从那以后 ， 返回式卫星成为了美苏在高科技领域争夺的制高点 ， 并成为争夺空间霸权、进行战略侦察、获取各种情报的主要手段 。
为了打破超级大国对这项技术的垄断 ， 我国在研制东方红一号卫星时 ， 就开始了对返回式卫星及其所需姿态控制等项目的攻关 。
【嫦娥|嫦娥“挖土”归来有多难？看看中国首颗返回式卫星的故事】
文章图片
长征二号火箭发射我国第一颗返回式卫星 。
历经5年研制 ， 1975年11月26日11时30分 ， 长征二号运载火箭在酒泉卫星发射中心点火 ， 将我国首颗返回式卫星送入预定轨道 。
按计划 ， 卫星在太空飞行3天后 ， 将由西安卫星测控中心控制返回地面并实施回收 。
从美国“发现者13号”之前的12位“前辈”就可以看出 ， 让卫星完成一次有去有回的旅行并非易事 。
不仅要求卫星在运行和返回中必须保持高精度的运行姿态 ， 星上所有仪器都必须准确无误地按程序工作 ， 更要求地面对其保持高精度的测控及安全可靠的回收 。 稍有失误 ， 都可能造成严重后果 。
对于此前从未有过卫星回收经验 ， 一切都得从零开始的中国航天人来说 ， 面临的挑战极为严峻 。
卫星发射升空时 ， 回收准备工作早已开展 。
文章图片
在巴丹吉林沙漠深处执行任务的活动测控站 。
在内蒙巴丹吉林沙漠深处 ， 西安中心负责发出卫星仪器舱和回收舱分离指令的活动测控分队 ， 已经枕戈待旦4个月 。 他们深入沙漠 ， 只为替卫星回收抢出几分钟时间 。
在卫星预定回收区四川遂宁 ， 西安中心测量回收部已经精心准备数月 ， 把这片区域的一草一木都勘察得清清楚楚 。
为保障卫星回收成功 ， 甚至连邮电部都参与进来 。 国家调动103条线路作为专用通讯线路 ， 27个省市自治区参与了通讯保障工作 。
但意外还是发生了 。
文章图片
活动测控方舱内 ， 科技人员正在接收遥测数据 。
卫星在轨运行仅数圈 ， 遥测数据显示 ， 星上气源曲线陡然下降 。
卫星上的气源瓶是专门为保障卫星运行3天而带的 ， 地面对卫星的姿态控制也要靠这种气源压力来实现 。 如果按曲线的耗压量计算 ， 卫星运行不到3天就没气压了 。 更严重的是 ， 卫星姿态无法调整 ， 也就意味着无法返回地面 。
一时间 ， 位于秦岭深处的西安卫星测控中心测控大厅里 ， 出现一阵慌乱 。
“要不要提前回收？”
“如果该提前回收却不及时回收 ， 卫星掉到国外 ， 问题可就大了！”
文章图片
祁思禹正在监视卫星遥测数据 。
众人七嘴八舌 ， 而轨道计算组组长祁思禹沉默不语 ， 紧张地计算着 。
钱学森赶到了 ， 一来就问祁思禹：“告诉我 ， 卫星到底还能坚持几天？”
“星上能够坚持 ， 不用提前回收 。 ”祁思禹说 。
大厅里安静了 。
拍胸脯容易 ， 但这可不是充英雄的时候 。 科学讲究的是严谨可靠 ， 必须有充足的理由作支撑 。
钱学森紧盯祁思禹 ， 问：“你敢担保什么时候能回来吗？凭什么？”
祁思禹胸有成竹地解释：“从气压曲线下降的情况分析 ， 后面几圈的下降有减少的走向 ， 我们认为这是卫星在调整姿态时发生的现象 ， 这种情况可以通过指令控制卫星 ， 并使气压继续维持下去 。 ”
果然 ， 第一天过去 ， 卫星一切正常；第二天过去 ， 卫星依旧平安 。
可是卫星正要返回时 ， 新的险情出现——
就在西安中心准备发出卫星开伞指令时 ， 两台控制计算机竟然开始“打架” ， 一个判断要发出指令 ， 另一个判断必须切断指令 。
此时卫星速度接近每秒7千米 ， 如果指令时间相差5秒 ， 落点就会偏差40公里；返回点的速度方向角如果偏差1度 ， 落点航程就会偏差300公里 。
距离卫星飞出中国上空 ， 脱离观测范围只剩15秒时间 ， 假如控制指令来不及发出 ， 卫星返回舱就可能落入其他国家 ， 后果不堪设想 。
这是有前车之鉴的 。 1959年4月13日 ， 美国回收“发现者2号”卫星时 ， 由于弹射指令过早下达 ， 返回舱内胶卷落入挪威境内 ， 在国际上掀起轩然大波 。
文章图片
祁思禹正在研究数据 。
关键时刻 ， 祁思禹手抓一摞计算结果狂奔而来 。
他来不及绕门 ， 干脆破窗闯入指挥大厅 ， 大喝一声：“发！”
1975年11月29日中午 ， 贵州六枝营盘公社一家煤矿上 ， 4名矿工正坐在井口闲聊 。 突然间 ， 一个圆乎乎的大家伙从天而降 ， 把一棵大松树的树冠一扫而光 ， 紧接着轰然坠地 。
“天外来客”的消息很快报了上去 ， 测量回收部火速赶往卫星落点 。
大家在现场发现 ， 由于返回式卫星裙部被高温损坏 ， 再入段没有打开减速伞 ， 650千克重的返回舱已经被摔得凹凸不平 ， 卫星里许多零部件都被甩了出去 。 但让人惊喜的是 ， 由于大树的缓冲 ， 返回舱并没有摔坏 ， 所有胶片完好无损！
在北京 ， 叶剑英元帅看着卫星拍摄的照片 ， 高兴地对大家说：“偏了400多公里没什么要紧嘛 。 我们第一次回收卫星 ， 能落在中国大地上就是胜利！”
文章图片
文章图片
返回舱着陆 。
由此 ， 中国成为继美苏之后第三个成功回收卫星的国家 ， 并创造了卫星回收一次成功的奇迹 。
此后数十年中 ， 西安卫星测控中心成功实施了23颗返回式卫星、11艘神舟飞船 ， 以及嫦娥五号再入返回飞行试验器的测控回收任务 ， 回收成功率保持100% 。 落点误差由最初的400公里开外 ， 缩小到10公里、2公里、1公里……到神舟七号任务时 ， 返回舱落点预报结果与实测只差374米 。
不过 ， 嫦娥五号的回收与此前任务不同 ， 这是我国航天器首次携带月壤高速返回地球 。
近地轨道航天器再入返回大气层时 ， 速度通常为每秒约7.9公里的第一宇宙速度 。 而嫦娥五号返回的速度 ， 接近每秒11.2公里的第二宇宙速度 。
为此 ， 科研人员提出了半弹道跳跃式再入返回技术方案 ， 就像在大气层表面打水漂一样 ， 让返回器先高速进入大气层 ， 随后借助大气层提供的升力“跳”起来 ， 再以第一宇宙速度重新进入大气返回地面 。
文章图片
2008年 ， 西安卫星测控中心成功实施神舟七号返回舱回收任务 。
文章图片
2013年 ， 神舟十号回收现场 。
文章图片
2016年 ， 西安卫星测控中心成功回收实践十号卫星 。
2014年 ， 我国发射嫦娥五号再入返回飞行试验器 ， 模拟了嫦娥五号奔月、绕月、返回的全过程 ， 并对跳跃式再入返回技术进行了成功验证 ， 使我国成为继美苏之后 ， 世界第三个成功实施航天器从月球轨道重返地面的国家 。
嫦娥五号再入返回方案继承了此前飞行试验器的设计 ， 任务再入航程也与飞行试验器基本一致 ， 不过装有月壤的样品容器重量有一定不确定性 ， 有可能影响返回器的质量特性 ， 这对返回器制导导航控制系统的鲁棒性（控制系统在一定参数摄动下 ， 维持某些性能的特性）提出了较高要求 。
任务很难 ， 但我们有信心 。
让我们与航天人一起 ， 期盼它的归来 。
来源：科技日报 文中图片由作者提供
推荐阅读
- 快报|“他，是能成就导师的学生”
- 技术|“2”类医械有重大进展：神经介入产品井喷、基因测序弯道超车
- bug|这款小工具让你的Win10用上“Win11亚克力半透明菜单”
- 重大进展|“2”类医械有重大进展：神经介入产品井喷、基因测序弯道超车
- 历史|科普：詹姆斯·韦布空间望远镜——探索宇宙历史的“深空巨镜”
- 空间|（科技）科普：詹姆斯·韦布空间望远镜——探索宇宙历史的“深空巨镜”
- 精度|将建模速率提升10倍，消费级3D扫描仪Magic Swift在2021高交会大显“身手”
- 四平|智慧城市“奥斯卡”揭晓！祝贺柯桥客户荣获2021世界智慧城市治理大奖
- |南安市司法局“加减乘除” 打造最优法治营商环境
- ASUS|华硕预热ROG Flow Z13：称其是“全球最强悍的游戏平板”