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上观新闻 2020-12-01

嫦娥“挖土”归来有多难?看看中国首颗返回式卫星的故事

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。

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记者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。

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。

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。

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!"

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。

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!"

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。

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。

2013 年,神舟十号回收现场。

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。

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