2020年11月30日，嫦娥五號(hào)探測(cè)器在環(huán)月軌道上，成功實(shí)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(hào)將落月、采樣，如果一切順利，它將于半個(gè)多月后，帶著月球樣品返回地球。
這是我國(guó)迄今為止最復(fù)雜的宇航任務(wù)之一。后續(xù)難點(diǎn)不僅在于月面自動(dòng)采樣封裝、月面起飛、月球軌道交會(huì)對(duì)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。
人類航天器從太空返回，最初是通過返回式衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的。45年前，我國(guó)首顆返回式衛(wèi)星成功回收，成為中國(guó)航天史上重要的里程碑。
讓我們來回顧一下當(dāng)年的故事。
1960年8月，美國(guó)總統(tǒng)艾森豪威爾在例行的記者招待會(huì)上自豪地宣布：美國(guó)成功回收了一面由發(fā)現(xiàn)者13號(hào)衛(wèi)星帶往太空飛行后返回的美國(guó)國(guó)旗。
然而，“發(fā)現(xiàn)者”并非艾森豪威爾所說的一項(xiàng)對(duì)太空環(huán)境的科研項(xiàng)目，而是一項(xiàng)絕密的間諜衛(wèi)星計(jì)劃。發(fā)射這些衛(wèi)星并不是為了送美國(guó)國(guó)旗上一趟太空，而是拍攝并送回有關(guān)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(lǐng)域爭(zhēng)奪的制高點(diǎn)，并成為爭(zhēng)奪空間霸權(quán)、進(jìn)行戰(zhàn)略偵察、獲取各種情報(bào)的主要手段。
為了打破超級(jí)大國(guó)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的壟斷，我國(guó)在研制東方紅一號(hào)衛(wèi)星時(shí)，就開始了對(duì)返回式衛(wèi)星及其所需姿態(tài)控制等項(xiàng)目的攻關(guān)。
長(zhǎng)征二號(hào)火箭發(fā)射我國(guó)第一顆返回式衛(wèi)星。
歷經(jīng)5年研制，1975年11月26日11時(shí)30分，長(zhǎng)征二號(hào)運(yùn)載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火，將我國(guó)首顆返回式衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。
按計(jì)劃，衛(wèi)星在太空飛行3天后，將由西安衛(wèi)星測(cè)控中心控制返回地面并實(shí)施回收。
從美國(guó)“發(fā)現(xiàn)者13號(hào)”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(yùn)行和返回中必須保持高精度的運(yùn)行姿態(tài)，星上所有儀器都必須準(zhǔn)確無誤地按程序工作，更要求地面對(duì)其保持高精度的測(cè)控及安全可靠的回收。稍有失誤，都可能造成嚴(yán)重后果。
對(duì)于此前從未有過衛(wèi)星回收經(jīng)驗(yàn)，一切都得從零開始的中國(guó)航天人來說，面臨的挑戰(zhàn)極為嚴(yán)峻。
衛(wèi)星發(fā)射升空時(shí)，回收準(zhǔn)備工作早已開展。
在巴丹吉林沙漠深處執(zhí)行任務(wù)的活動(dòng)測(cè)控站。
在內(nèi)蒙巴丹吉林沙漠深處，西安中心負(fù)責(zé)發(fā)出衛(wèi)星儀器艙和回收艙分離指令的活動(dòng)測(cè)控分隊(duì)，已經(jīng)枕戈待旦4個(gè)月。他們深入沙漠，只為替衛(wèi)星回收搶出幾分鐘時(shí)間。
在衛(wèi)星預(yù)定回收區(qū)四川遂寧，西安中心測(cè)量回收部已經(jīng)精心準(zhǔn)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(jìn)來。國(guó)家調(diào)動(dòng)103條線路作為專用通訊線路，27個(gè)省市自治區(qū)參與了通訊保障工作。
但意外還是發(fā)生了。
活動(dòng)測(cè)控方艙內(nèi)，科技人員正在接收遙測(cè)數(shù)據(jù)。
衛(wèi)星在軌運(yùn)行僅數(shù)圈，遙測(cè)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(yùn)行3天而帶的，地面對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)控制也要靠這種氣源壓力來實(shí)現(xiàn)。如果按曲線的耗壓量計(jì)算，衛(wèi)星運(yùn)行不到3天就沒氣壓了。更嚴(yán)重的是，衛(wèi)星姿態(tài)無法調(diào)整，也就意味著無法返回地面。
一時(shí)間，位于秦嶺深處的西安衛(wèi)星測(cè)控中心測(cè)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(shí)回收，衛(wèi)星掉到國(guó)外，問題可就大了！”
祁思禹正在監(jiān)視衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)。
眾人七嘴八舌，而軌道計(jì)算組組長(zhǎng)祁思禹沉默不語，緊張地計(jì)算著。
錢學(xué)森趕到了，一來就問祁思禹：“告訴我，衛(wèi)星到底還能堅(jiān)持幾天？”
“星上能夠堅(jiān)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(shí)候。科學(xué)講究的是嚴(yán)謹(jǐn)可靠，必須有充足的理由作支撐。
錢學(xué)森緊盯祁思禹，問：“你敢擔(dān)保什么時(shí)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(rèn)為這是衛(wèi)星在調(diào)整姿態(tài)時(shí)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�！�
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(shí)，新的險(xiǎn)情出現(xiàn)——
就在西安中心準(zhǔn)備發(fā)出衛(wèi)星開傘指令時(shí)，兩臺(tái)控制計(jì)算機(jī)竟然開始“打架”，一個(gè)判斷要發(fā)出指令，另一個(gè)判斷必須切斷指令。
此時(shí)衛(wèi)星速度接近每秒7千米，如果指令時(shí)間相差5秒，落點(diǎn)就會(huì)偏差40公里；返回點(diǎn)的速度方向角如果偏差1度，落點(diǎn)航程就會(huì)偏差300公里。
距離衛(wèi)星飛出中國(guó)上空，脫離觀測(cè)范圍只剩15秒時(shí)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(guó)家，后果不堪設(shè)想。
這是有前車之鑒的。1959年4月13日，美國(guó)回收“發(fā)現(xiàn)者2號(hào)”衛(wèi)星時(shí)，由于彈射指令過早下達(dá)，返回艙內(nèi)膠卷落入挪威境內(nèi)，在國(guó)際上掀起軒然大波。
祁思禹正在研究數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵時(shí)刻，祁思禹手抓一摞計(jì)算結(jié)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(yíng)盤公社一家煤礦上，4名礦工正坐在井口閑聊。突然間，一個(gè)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(bào)了上去，測(cè)量回收部火速趕往衛(wèi)星落點(diǎn)。
大家在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，由于返回式衛(wèi)星裙部被高溫?fù)p壞，再入段沒有打開減速傘，650千克重的返回艙已經(jīng)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(duì)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(guó)大地上就是勝利！”
返回艙著陸。
由此，中國(guó)成為繼美蘇之后第三個(gè)成功回收衛(wèi)星的國(guó)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(cè)控中心成功實(shí)施了23顆返回式衛(wèi)星、11艘神舟飛船，以及嫦娥五號(hào)再入返回飛行試驗(yàn)器的測(cè)控回收任務(wù)，回收成功率保持100%。落點(diǎn)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(hào)任務(wù)時(shí)，返回艙落點(diǎn)預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)測(cè)只差374米。
不過，嫦娥五號(hào)的回收與此前任務(wù)不同，這是我國(guó)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(shí)，速度通常為每秒約7.9公里的第一宇宙速度。而嫦娥五號(hào)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(shù)方案，就像在大氣層表面打水漂一樣，讓返回器先高速進(jìn)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(jìn)入大氣返回地面。
2008年，西安衛(wèi)星測(cè)控中心成功實(shí)施神舟七號(hào)返回艙回收任務(wù)。
2013年，神舟十號(hào)回收現(xiàn)場(chǎng)。
2016年，西安衛(wèi)星測(cè)控中心成功回收實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星。
2014年，我國(guó)發(fā)射嫦娥五號(hào)再入返回飛行試驗(yàn)器，模擬了嫦娥五號(hào)奔月、繞月、返回的全過程，并對(duì)跳躍式再入返回技術(shù)進(jìn)行了成功驗(yàn)證，使我國(guó)成為繼美蘇之后，世界第三個(gè)成功實(shí)施航天器從月球軌道重返地面的國(guó)家。
嫦娥五號(hào)再入返回方案繼承了此前飛行試驗(yàn)器的設(shè)計(jì)，任務(wù)再入航程也與飛行試驗(yàn)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(zhì)量特性，這對(duì)返回器制導(dǎo)導(dǎo)航控制系統(tǒng)的魯棒性(控制系統(tǒng)在一定參數(shù)攝動(dòng)下，維持某些性能的特性)提出了較高要求。
任務(wù)很難，但我們有信心。
讓我們與航天人一起，期盼它的歸來。
