嫦娥“挖土”歸來有多難？看看中國首顆返回式衞星的故事
◎ 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、採樣，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，帶着月壤重返地球也是一大難題。
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，最初是通過返回式衞星實現的。45年前，我國首顆返回式衞星成功回收，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佈：美國成功回收了一面由發現者13號衞星帶往太空飛行後返回的美國國旗。
然而，“發現者”並非艾森豪威爾所説的一項對太空環境的科研項目，而是一項絕密的間諜衞星計劃。發射這些衞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，返回式衞星成為了美蘇在高科技領域爭奪的制高點，併成為爭奪空間霸權、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衞星時，就開始了對返回式衞星及其所需姿態控制等項目的攻關。
長征二號火箭發射我國第一顆返回式衞星。
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衞星發射中心點火，將我國首顆返回式衞星送入預定軌道。
按計劃，衞星在太空飛行3天后，將由西安衞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，讓衞星完成一次有去有回的旅行並非易事。
不僅要求衞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。
對於此前從未有過衞星迴收經驗，一切都得從零開始的中國航天人來説，面臨的挑戰極為嚴峻。
衞星發射升空時，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，西安中心負責發出衞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，只為替衞星迴收搶出幾分鐘時間。
在衞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。
為保障衞星迴收成功，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。
衞星在軌運行僅數圈，遙測數據顯示，星上氣源曲線陡然下降。
衞星上的氣源瓶是專門為保障衞星運行3天而帶的，地面對衞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，衞星運行不到3天就沒氣壓了。更嚴重的是，衞星姿態無法調整，也就意味着無法返回地面。
一時間，位於秦嶺深處的西安衞星測控中心測控大廳裏，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，衞星掉到國外，問題可就大了！”
祁思禹正在監視衞星遙測數據。
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，衞星到底還能堅持幾天？”
“星上能夠堅持，不用提前回收。”祁思禹説。
大廳裏安靜了。
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，我們認為這是衞星在調整姿態時發生的現象，這種情況可以通過指令控制衞星，並使氣壓繼續維持下去。”
果然，第一天過去，衞星一切正常；第二天過去，衞星依舊平安。
可是衞星正要返回時，新的險情出現——
就在西安中心準備發出衞星開傘指令時，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。
此時衞星速度接近每秒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。
距離衞星飛出中國上空，脱離觀測範圍只剩15秒時間，假如控制指令來不及發出，衞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”衞星時，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衞星落點。
大家在現場發現，由於返回式衞星裙部被高温損壞，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，衞星裏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，葉劍英元帥看着衞星拍攝的照片，高興地對大家説：“偏了400多公里沒什麼要緊嘛。我們第一次回收衞星，能落在中國大地上就是勝利！”
返回艙着陸。
由此，中國成為繼美蘇之後第三個成功回收衞星的國家，並創造了衞星迴收一次成功的奇蹟。
此後數十年中，西安衞星測控中心成功實施了23顆返回式衞星、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。
2008年，西安衞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，西安衞星測控中心成功回收實踐十號衞星。
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。