我國嫦娥五號“挖土”歸來有多艱難？

2020年11月30日，嫦娥五號探測器在環(huán)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、采樣，如果一切順利，它將于半個多月后，帶著月球樣品返回地球。這是我國迄今為止最復雜的宇航任務之一。

后續(xù)難點不僅在于月面自動采樣封裝、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。

人類航天器從太空返回，最初是通過返回式衛(wèi)星實現(xiàn)的。45年前，我國首顆返回式衛(wèi)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(tǒng)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(fā)現(xiàn)者13號衛(wèi)星帶往太空飛行后返回的美國國旗。

然而，“發(fā)現(xiàn)者”并非艾森豪威爾所說的一項對太空環(huán)境的科研項目，而是一項絕密的間諜衛(wèi)星計劃。發(fā)射這些衛(wèi)星并不是為了送美國國旗上一趟太空，而是拍攝并送回有關蘇聯(lián)的照片。

從那以后，返回式衛(wèi)星成為了美蘇在高科技領域爭奪的制高點，并成為爭奪空間霸權、進行戰(zhàn)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，我國在研制東方紅一號衛(wèi)星時，就開始了對返回式衛(wèi)星及其所需姿態(tài)控制等項目的攻關。

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

按計劃，衛(wèi)星在太空飛行3天后，將由西安衛(wèi)星測控中心控制返回地面并實施回收。

從美國“發(fā)現(xiàn)者13號”之前的12位“前輩”就可以看出，讓衛(wèi)星完成一次有去有回的旅行并非易事。

不僅要求衛(wèi)星在運行和返回中必須保持高精度的運行姿態(tài)，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，都可能造成嚴重后果。

對于此前從未有過衛(wèi)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(zhàn)極為嚴峻。

衛(wèi)星發(fā)射升空時，回收準備工作早已開展。

在內蒙巴丹吉林沙漠深處，西安中心負責發(fā)出衛(wèi)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(wèi)星回收搶出幾分鐘時間。

在衛(wèi)星預定回收區(qū)四川遂寧，西安中心測量回收部已經精心準備數(shù)月，把這片區(qū)域的一草一木都勘察得清清楚楚。

為保障衛(wèi)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(qū)參與了通訊保障工作。

但意外還是發(fā)生了。

衛(wèi)星在軌運行僅數(shù)圈，遙測數(shù)據(jù)顯示，星上氣源曲線陡然下降。

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

一時間，位于秦嶺深處的西安衛(wèi)星測控中心測控大廳里，出現(xiàn)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(wèi)星掉到國外，問題可就大了！”

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(wèi)星到底還能堅持幾天？”

“星上能夠堅持，不用提前回收?！逼钏加碚f。

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：“你敢擔保什么時候能回來嗎？憑什么？”

祁思禹胸有成竹地解釋：“從氣壓曲線下降的情況分析，后面幾圈的下降有減少的走向，我們認為這是衛(wèi)星在調整姿態(tài)時發(fā)生的現(xiàn)象，這種情況可以通過指令控制衛(wèi)星，并使氣壓繼續(xù)維持下去?！?/p>

果然，第一天過去，衛(wèi)星一切正常；第二天過去，衛(wèi)星依舊平安。

可是衛(wèi)星正要返回時，新的險情出現(xiàn)——

就在西安中心準備發(fā)出衛(wèi)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(fā)出指令，另一個判斷必須切斷指令。

此時衛(wèi)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(wèi)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(fā)出，衛(wèi)星返回艙就可能落入其他國家，后果不堪設想。

這是有前車之鑒的。1959年4月13日，美國回收“發(fā)現(xiàn)者2號”衛(wèi)星時，由于彈射指令過早下達，返回艙內膠卷落入挪威境內，在國際上掀起軒然大波。

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，干脆破窗闖入指揮大廳，大喝一聲：“發(fā)！”

1975年11月29日中午，貴州六枝營盤公社一家煤礦上，4名礦工正坐在井口閑聊。突然間，一個圓乎乎的大家伙從天而降，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(wèi)星落點。

大家在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，由于返回式衛(wèi)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(wèi)星里許多零部件都被甩了出去。但讓人驚喜的是，由于大樹的緩沖，返回艙并沒有摔壞，所有膠片完好無損！

在北京，葉劍英元帥看著衛(wèi)星拍攝的照片，高興地對大家說：“偏了400多公里沒什么要緊嘛。我們第一次回收衛(wèi)星，能落在中國大地上就是勝利！”

由此，中國成為繼美蘇之后第三個成功回收衛(wèi)星的國家，并創(chuàng)造了衛(wèi)星回收一次成功的奇跡。

此后數(shù)十年中，西安衛(wèi)星測控中心成功實施了23顆返回式衛(wèi)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，隨后借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。

2014年，我國發(fā)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，并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后，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(tǒng)的魯棒性（控制系統(tǒng)在一定參數(shù)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。
責編AJX