嫦娥“挖土”归来有多难？看看中国首颗返回式卫星的故事

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。

◎ 吕炳宏 科技日报记者 付毅飞

来源：科技日报 文中图片由作者提供