嫦娥「挖土」歸來有多難？看看中國首顆返回式衛星的故事

◎ 呂炳宏 科技日報記者 付毅飛

2020年11月30日，嫦娥五號探測器在環月軌道上，成功實施著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、採樣，如果一切順利，它將於半個多月後，帶著月球樣品返回地球。

這是我國迄今為止最複雜的宇航任務之一。後續難點不僅在於月面自動採樣封裝、月面起飛、月球軌道交會對接等，帶著月壤重返地球也是一大難題。

著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。

人類太空飛行器從太空返回，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裡程碑。

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。

長徵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，長徵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準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，回收準備工作早已開展。

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鐘時間。

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準備數月，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。

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，也就意味著無法返回地面。

一時間，位於秦嶺深處的西安衛星測控中心測控大廳裡，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！」

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，緊張地計算著。

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。

大廳裡安靜了。

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——

就在西安中心準備發出衛星開傘指令時，兩臺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公裡；返回點的速度方向角如果偏差1度，落點航程就會偏差300公裡。

距離衛星飛出中國上空，脫離觀測範圍只剩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。

這是有前車之鑑的。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，返回艙內膠捲落入挪威境內，在國際上掀起軒然大波。

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，緊接著轟然墜地。

「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，衛星裡許多零部件都被甩了出去。但讓人驚喜的是，由於大樹的緩衝，返回艙並沒有摔壞，所有膠片完好無損！

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

返回艙著陸。

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蹟。

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公裡開外，縮小到10公裡、2公裡、1公裡……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，這是我國太空飛行器首次攜帶月壤高速返回地球。

近地軌道太空飛行器再入返回大氣層時，速度通常為每秒約7.9公裡的第一宇宙速度。而嫦娥五號返回的速度，接近每秒11.2公裡的第二宇宙速度。

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。

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。

2013年，神舟十號回收現場。

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太空飛行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。

編輯：劉義陽