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我國嫦娥五號“挖土”歸來有多艱難?

如意 ? 來源:科技日報 ? 作者:付毅飛 ? 2020-12-01 11:52 ? 次閱讀
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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(fù)雜的宇航任務(wù)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(dāng)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(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)域爭奪的制高點,并成為爭奪空間霸權(quán)、進(jìn)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(shù)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(guān)。

歷經(jīng)5年研制,1975年11月26日11時30分,長征二號運(yùn)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(yù)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(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(yán)重后果。

對于此前從未有過衛(wèi)星回收經(jīng)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(yán)峻。

衛(wèi)星發(fā)射升空時,回收準(zhǔn)備工作早已開展。

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測控分隊,已經(jīng)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(yù)定回收區(qū)四川遂寧,西安中心測量回收部已經(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。國家調(diào)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(yùn)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(yùn)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(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(xué)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??茖W(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(zhǔn)備發(fā)出衛(wèi)星開傘指令時,兩臺控制計算機(jī)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(shè)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(dá),返回艙內(nèi)膠卷落入挪威境內(nèi),在國際上掀起軒然大波。

關(guān)鍵時刻,祁思禹手抓一摞計算結(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?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(wù),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(wù)時,返回艙落點預(yù)報結(jié)果與實測只差374米。

不過,嫦娥五號的回收與此前任務(wù)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(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。

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(shù)進(jìn)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(shè)計,任務(wù)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(zhì)量特性,這對返回器制導(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。
責(zé)編AJX

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