嫦娥「挖土」歸來有多難?看看中國首顆返回式衛星的故事

2020年11月30日,嫦娥五號探測器在環月軌道上,成功實施着陸器上升器組合體與軌道器返回器組合體分離。接下來,嫦娥五號將落月、采樣,如果一切順利,它將於半個多月後,帶着月球樣品返回地球。這是我國迄今為止最復雜的宇航任務之一。

記者:付毅飛

後續難點不僅在於月面自動采樣封裝、月面起飛、月球軌道交會對接等,帶着月壤重返地球也是一大難題。

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着陸器和上升器組合體與軌道器和返回器組合體分離示意圖。

人類航天器從太空返回,最初是通過返回式衛星實現的。45年前,我國首顆返回式衛星成功回收,成為中國航天史上重要的里程碑。

讓我們來回顧一下當年的故事。

1960年8月,美國總統艾森豪威爾在例行的記者招待會上自豪地宣布:美國成功回收了一面由發現者13號衛星帶往太空飛行後返回的美國國旗。

然而,「發現者」並非艾森豪威爾所說的一項對太空環境的科研項目,而是一項絕密的間諜衛星計劃。發射這些衛星並不是為了送美國國旗上一趟太空,而是拍攝並送回有關蘇聯的照片。

從那以後,返回式衛星成為了美蘇在高科技領域爭奪的制高點,並成為爭奪空間霸權、進行戰略偵察、獲取各種情報的主要手段。

為了打破超級大國對這項技術的壟斷,我國在研製東方紅一號衛星時,就開始了對返回式衛星及其所需姿態控制等項目的攻關。

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長征二號火箭發射我國第一顆返回式衛星。

歷經5年研製,1975年11月26日11時30分,長征二號運載火箭在酒泉衛星發射中心點火,將我國首顆返回式衛星送入預定軌道。

按計劃,衛星在太空飛行3天後,將由西安衛星測控中心控制返回地面並實施回收。

從美國「發現者13號」之前的12位「前輩」就可以看出,讓衛星完成一次有去有回的旅行並非易事。

不僅要求衛星在運行和返回中必須保持高精度的運行姿態,星上所有儀器都必須准確無誤地按程序工作,更要求地面對其保持高精度的測控及安全可靠的回收。稍有失誤,都可能造成嚴重後果。

對於此前從未有過衛星回收經驗,一切都得從零開始的中國航天人來說,面臨的挑戰極為嚴峻。

衛星發射升空時,回收准備工作早已開展。

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在巴丹吉林沙漠深處執行任務的活動測控站。

在內蒙巴丹吉林沙漠深處,西安中心負責發出衛星儀器艙和回收艙分離指令的活動測控分隊,已經枕戈待旦4個月。他們深入沙漠,只為替衛星回收搶出幾分鍾時間。

在衛星預定回收區四川遂寧,西安中心測量回收部已經精心准備數月,把這片區域的一草一木都勘察得清清楚楚。

為保障衛星回收成功,甚至連郵電部都參與進來。國家調動103條線路作為專用通訊線路,27個省市自治區參與了通訊保障工作。

但意外還是發生了。

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活動測控方艙內,科技人員正在接收遙測數據。

衛星在軌運行僅數圈,遙測數據顯示,星上氣源曲線陡然下降。

衛星上的氣源瓶是專門為保障衛星運行3天而帶的,地面對衛星的姿態控制也要靠這種氣源壓力來實現。如果按曲線的耗壓量計算,衛星運行不到3天就沒氣壓了。更嚴重的是,衛星姿態無法調整,也就意味着無法返回地面。

一時間,位於秦嶺深處的西安衛星測控中心測控大廳里,出現一陣慌亂。

「要不要提前回收?」

「如果該提前回收卻不及時回收,衛星掉到國外,問題可就大了!」

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祁思禹正在監視衛星遙測數據。

眾人七嘴八舌,而軌道計算組組長祁思禹沉默不語,緊張地計算着。

錢學森趕到了,一來就問祁思禹:「告訴我,衛星到底還能堅持幾天?」

「星上能夠堅持,不用提前回收。」祁思禹說。

大廳里安靜了。

拍胸脯容易,但這可不是充英雄的時候。科學講究的是嚴謹可靠,必須有充足的理由作支撐。

錢學森緊盯祁思禹,問:「你敢擔保什麼時候能回來嗎?憑什麼?」

祁思禹胸有成竹地解釋:「從氣壓曲線下降的情況分析,後面幾圈的下降有減少的走向,我們認為這是衛星在調整姿態時發生的現象,這種情況可以通過指令控制衛星,並使氣壓繼續維持下去。」

果然,第一天過去,衛星一切正常;第二天過去,衛星依舊平安。

可是衛星正要返回時,新的險情出現——

就在西安中心准備發出衛星開傘指令時,兩台控制計算機竟然開始「打架」,一個判斷要發出指令,另一個判斷必須切斷指令。

此時衛星速度接近每秒7千米,如果指令時間相差5秒,落點就會偏差40公里;返回點的速度方向角如果偏差1度,落點航程就會偏差300公里。

距離衛星飛出中國上空,脫離觀測范圍只剩15秒時間,假如控制指令來不及發出,衛星返回艙就可能落入其他國家,後果不堪設想。

這是有前車之鑒的。1959年4月13日,美國回收「發現者2號」衛星時,由於彈射指令過早下達,返回艙內膠卷落入挪威境內,在國際上掀起軒然大波。

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祁思禹正在研究數據。

關鍵時刻,祁思禹手抓一摞計算結果狂奔而來。

他來不及繞門,乾脆破窗闖入指揮大廳,大喝一聲:「發!」

1975年11月29日中午,貴州六枝營盤公社一家煤礦上,4名礦工正坐在井口閒聊。突然間,一個圓乎乎的大傢伙從天而降,把一棵大松樹的樹冠一掃而光,緊接着轟然墜地。

「天外來客」的消息很快報了上去,測量回收部火速趕往衛星落點。

大家在現場發現,由於返回式衛星裙部被高溫損壞,再入段沒有打開減速傘,650千克重的返回艙已經被摔得凹凸不平,衛星里許多零部件都被甩了出去。但讓人驚喜的是,由於大樹的緩沖,返回艙並沒有摔壞,所有膠片完好無損!

在北京,葉劍英元帥看着衛星拍攝的照片,高興地對大家說:「偏了400多公里沒什麼要緊嘛。我們第一次回收衛星,能落在中國大地上就是勝利!」

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返回艙着陸。

由此,中國成為繼美蘇之後第三個成功回收衛星的國家,並創造了衛星回收一次成功的奇跡。

此後數十年中,西安衛星測控中心成功實施了23顆返回式衛星、11艘神舟飛船,以及嫦娥五號再入返回飛行試驗器的測控回收任務,回收成功率保持100%。落點誤差由最初的400公里開外,縮小到10公里、2公里、1公里……到神舟七號任務時,返回艙落點預報結果與實測只差374米。

不過,嫦娥五號的回收與此前任務不同,這是我國航天器首次攜帶月壤高速返回地球。

近地軌道航天器再入返回大氣層時,速度通常為每秒約7.9公里的第一宇宙速度。而嫦娥五號返回的速度,接近每秒11.2公里的第二宇宙速度。

為此,科研人員提出了半彈道跳躍式再入返回技術方案,就像在大氣層表面打水漂一樣,讓返回器先高速進入大氣層,隨後藉助大氣層提供的升力「跳」起來,再以第一宇宙速度重新進入大氣返回地面。

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2008年,西安衛星測控中心成功實施神舟七號返回艙回收任務。

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2013年,神舟十號回收現場。

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2016年,西安衛星測控中心成功回收實踐十號衛星。

2014年,我國發射嫦娥五號再入返回飛行試驗器,模擬了嫦娥五號奔月、繞月、返回的全過程,並對跳躍式再入返回技術進行了成功驗證,使我國成為繼美蘇之後,世界第三個成功實施航天器從月球軌道重返地面的國家。

嫦娥五號再入返回方案繼承了此前飛行試驗器的設計,任務再入航程也與飛行試驗器基本一致,不過裝有月壤的樣品容器重量有一定不確定性,有可能影響返回器的質量特性,這對返回器制導導航控制系統的魯棒性(控制系統在一定參數攝動下,維持某些性能的特性)提出了較高要求。

任務很難,但我們有信心。

讓我們與航天人一起,期盼它的歸來。

來源:cnBeta