作者：譚驍天（90后，就讀于紐約大學(xué)生化工程系）
這是一次從頭低調(diào)到尾的航天任務(wù)，低調(diào)到大多數(shù)人都沒有意識到它的存在。從10月24日在西昌發(fā)射到11月1日返回器完美著陸在內(nèi)蒙古四子王旗著陸場，僅歷時(shí)八天零四小時(shí)。然而就在這短短一周出頭的時(shí)間里，我國的航天技術(shù)又一次向前邁進(jìn)了一大步。
2014年10月24日凌晨，一場雷雨剛剛結(jié)束，隨著01號指揮員一聲令下，一枚改進(jìn)型長征三號丙運(yùn)載火箭騰空而起，直沖向剛剛放晴的夜空。在它的整流罩里，我國探月工程第三期“嫦娥5號T1”飛行試驗(yàn)器正整裝待發(fā)。1170秒后，火箭將飛行試驗(yàn)器準(zhǔn)確送入近地點(diǎn)200公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)41.3萬公里的地月自由返回軌道。關(guān)于此次任務(wù)的新聞報(bào)道一直不多，由于媒體恪守低調(diào)報(bào)道的原則，即使是航天愛好者，在發(fā)射前也只知道，本次任務(wù)的主要計(jì)劃是驗(yàn)證航天器以接近第二宇宙速度返回地球的技術(shù)。
如今嫦娥5T1的返回器安全降落，我們再回過頭來看這八天的奔月歷程，會發(fā)現(xiàn)本次任務(wù)所包含的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止當(dāng)初新聞中所說的這些。
以筆者愚見，本次任務(wù)難點(diǎn)或者說亮點(diǎn)主要有三，分別是地月自由返回軌道的設(shè)定與測控，返回器彈跳式再入與軌道器后續(xù)拓展任務(wù)。每一項(xiàng)都是我國第一次測試，每一項(xiàng)都給我們帶來了驚喜。
圖為2013年12月發(fā)射的嫦娥三號器箭分離后三級火箭攝像頭所拍下的畫面
本次飛行試驗(yàn)器注入的地月自由返回軌道也是此次任務(wù)的一大亮點(diǎn)。簡略地形容這一軌道，就是在地球與月球之間畫一個(gè)碩大的“8”字。這個(gè)8字的一個(gè)圓圈內(nèi)是地球，另一個(gè)圓圈內(nèi)就是月球。
所謂地月自由返回軌道是指發(fā)射后飛行器可以到達(dá)月球附近，但不會被月球捕獲，可以借助月球引力轉(zhuǎn)向，自動(dòng)返回地球的軌道。計(jì)算和使用地月自由返回軌道的難度很高，因?yàn)楦黜?xiàng)參數(shù)非常復(fù)雜，需要考慮地球、月球和飛行器在每個(gè)時(shí)刻的相對位置和相對速度，既要保證飛行器能利用月球的引力進(jìn)行折返，又不能使飛行器被月球捕獲成為月球衛(wèi)星。令人驚喜的是，長三丙火箭的出色表現(xiàn)不僅準(zhǔn)確將飛行器送入這條軌道軌道，還讓它取消了數(shù)次軌道調(diào)整，這也為后續(xù)服務(wù)艙開展拓展任務(wù)營造了條件。
嫦娥5號T1本身給我們帶來的第一個(gè)驚喜，也發(fā)生在這一軌道上。在完成月球近旁轉(zhuǎn)向后，飛行器向北京發(fā)回了它一路所拍攝的幾張照片，分別是遠(yuǎn)距離回望地球，近距離觀察月球，以及拍攝地月合影。
拍攝這幾張照片時(shí)，飛行器已經(jīng)距離地球近40萬公里，距離月球也有上萬公里，成像清晰度卻非常高，這也在一定程度上反應(yīng)了我國航天遙感成像技術(shù)水平。我們可以清楚地在地球照片中看到澳大利亞的身影，我國、乃至全世界也第一次從這種角度看到地月的清晰合影。
印度“月船一號”探測器拍攝到的月球照片，此時(shí)其正航行在地月轉(zhuǎn)移軌道上
上圖為嫦娥返回器，下圖為神舟返回艙
與蘇聯(lián)類似，我國的月球返回飛行器也是在載人航天返回艙的基礎(chǔ)上開發(fā)的。從上面兩張照片可以比較明顯地看出，嫦娥返回器就是一個(gè)縮小版的神舟飛船返回艙。
不同于神舟飛船的銀灰色燒蝕涂層，嫦娥返回器的亮白色涂層是用于抵抗以第二宇宙速度穿越大氣層時(shí)的高溫，它所采用的是我國最新研制的燒蝕材料。根據(jù)目前的新聞報(bào)道，除隔熱涂料以外，返回器本身的材質(zhì)也進(jìn)行了改進(jìn)，迎風(fēng)面使用了耐熱性更強(qiáng)的含硅材料。
它與神舟飛船的相似主要體現(xiàn)在外觀和總體架構(gòu)上，這主要出于兩點(diǎn)考慮：一是我國已經(jīng)掌握神舟返回艙的氣動(dòng)外形，對其構(gòu)造進(jìn)行縮小技術(shù)上較為穩(wěn)妥，二是采用與神舟飛船類似的返回器，為日后的載人探月任務(wù)打前站。
我想要說的下一個(gè)驚喜也正是來自于飛行器的返回器。
正如報(bào)道所說，2014年11月1日凌晨六時(shí)，飛行試驗(yàn)器的服務(wù)艙與返回器成功分離，返回器進(jìn)入預(yù)定的再入走廊。再入走廊是一容許角僅0.4度的狹小通道。再入角度過小，飛行器被彈飛后就不會落回地球；再入角度過大，飛行器就不會彈出大氣層而會直接落向地面。有人做過這樣一個(gè)比喻：如果說地球是一個(gè)籃球，那再入走廊的寬度就比一張紙還要薄。
嫦娥返回器一進(jìn)入大氣層，就被在印度洋上的遠(yuǎn)望3號測量船捕捉到。在畫面中，一個(gè)閃亮的火球拖著一條長長的尾巴劃過天空，不一會，它又消失在遠(yuǎn)望測量船的視線之外。這不是返回出現(xiàn)意外，而是說明返回器又成功地彈出了大氣層，進(jìn)入第二次再入的過程。這一次，返回器沒有任何猶豫，準(zhǔn)確地飛向了那個(gè)全國人民都很熟悉的地方——內(nèi)蒙古四子王旗著陸場。
彈跳式再入示意圖
遠(yuǎn)望三號拍攝到的嫦娥試驗(yàn)器返回器
隨著升力飛行階段的結(jié)束，巨大的降落傘在引導(dǎo)傘的牽引下牽出并打開。在清晨的秋風(fēng)中，從月球載譽(yù)歸來的返回器徐徐落下。落點(diǎn)，正是我要說的第三個(gè)驚喜。
由于我國航天人員的精確計(jì)算與控制，事后發(fā)現(xiàn)返回器的實(shí)際開傘點(diǎn)，離理論落點(diǎn)僅僅相差幾百米。這無異于首次射擊就打中靶心。對于一個(gè)首次試驗(yàn)第二宇宙速度彈跳返回的國家來說，這是出乎意料的驚喜。我國對這次返回試驗(yàn)本沒有十成的把握，為防止出現(xiàn)意外，還準(zhǔn)備了相當(dāng)多的預(yù)案，比如劃定了一片史無前例碩大的禁飛區(qū)乃至都劃入了蒙古境內(nèi)。
返回軌道與碩大的禁飛區(qū)
我國境內(nèi)的禁飛區(qū)
說到本次任務(wù)著陸場的地址，還有一段有意思的故事。在試驗(yàn)飛行器研制之前，專家曾經(jīng)對降落地點(diǎn)有過爭論。有人認(rèn)為，作為無人飛行器，可以選擇過載較大的彈道式返回方案，在原來的尖兵系列返回式衛(wèi)星的著陸場四川遂寧附近著陸，這樣也可以降低回收風(fēng)險(xiǎn)。決策者最終選擇四子王旗的原因，是那里已經(jīng)成功回收過十艘神舟飛船，設(shè)備完善，工作人員經(jīng)驗(yàn)相當(dāng)充分。況且選擇內(nèi)蒙，也可以為今后的載人任務(wù)做準(zhǔn)備，算是一舉兩得。
彈跳式返回確實(shí)不是我國無人探月飛行器返回的唯一方案。歷史上，蘇聯(lián)就曾使用彈道式返回成功使他們的探月飛船返回器著陸。而彈跳式返回最大的優(yōu)點(diǎn)，是減小降落時(shí)的過載，這對于那些實(shí)心的巖石樣本意義不太大，但對于活人來講這是決定生死命運(yùn)的關(guān)鍵。我國冒如此大的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行彈跳返回試驗(yàn)，也是想利用我們對于神舟飛船氣動(dòng)結(jié)構(gòu)的透徹理解來驗(yàn)證載人登月返回的可行性，相信本次實(shí)驗(yàn)中所得到的數(shù)據(jù)，也會對未來進(jìn)行載人登月返回的研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
蘇聯(lián)月球探測器的返回艙
返回器開傘
返回器在大草原上安全著陸
落點(diǎn)非常準(zhǔn)
讓我們把視線拉回到返回器著陸之前。當(dāng)返回器與服務(wù)艙分離之后。服務(wù)艙仍然在月地轉(zhuǎn)移軌道上飛速航行，這枚基于東方紅3號（嫦娥2號）衛(wèi)星平臺改裝的試驗(yàn)飛行器沒有跟隨返回器一起墜入大氣層，而是出色地進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)，將近地點(diǎn)拉到300余公里。下一步，它將繼續(xù)在地月之間穿梭，航行到地月拉格朗日L2點(diǎn)附近的軌道進(jìn)行下一步科學(xué)考察，為三年后的嫦娥五號繼續(xù)探路。服務(wù)艙的拓展任務(wù)不在本次飛行的考核范圍內(nèi)，算是一道“附加題”。也就是說說，即使服務(wù)艙未能完成很多擴(kuò)展任務(wù)，返回器的成功著陸和服務(wù)艙的成功變軌就宣告了本次試驗(yàn)器所有正式任務(wù)全部獲得成功。
服務(wù)艙上的鏡頭所拍攝到的返回器與服務(wù)艙分離的畫面
不同于某航天強(qiáng)國竭力扶持私營航天導(dǎo)致最近事故頻發(fā)，也不同于某些航天后起之秀在技術(shù)尚未成熟時(shí)就自吹自擂，中國航天業(yè)界不追求虛名，而是按照自己既定的路線向前發(fā)展。
近十年，我國先后完善并改進(jìn)了長征二號F火箭、長征三號甲系列火箭、東方紅三號和東方紅四號衛(wèi)星平臺。這些產(chǎn)品雖仍然使用原編號，但技術(shù)狀態(tài)卻和原型型號有了天壤之別。我國航天的發(fā)展速度看似不如某些國家快（印度去年曾成功發(fā)射火星探測器），但經(jīng)常有一次任務(wù)當(dāng)多次任務(wù)用的情況發(fā)生，這也說明了我國研發(fā)體系的成熟度和任務(wù)設(shè)計(jì)的科學(xué)性在逐漸提高。
2014年10月28日，美國軌道科學(xué)公司的安塔瑞斯火箭在發(fā)射天鵝座飛船時(shí)爆炸
印度的火星探測器計(jì)劃 采用多次變軌，飛行時(shí)間較長。探測器質(zhì)量1350千克，全部有效載荷總重僅15千克，功能十分有限
如前文所述，我國很多技術(shù)創(chuàng)新是在原有技術(shù)基礎(chǔ)上改進(jìn)。“縮小版神舟”——嫦娥返回器就是最好的例證。正是這些有明確指向性和可靠性的創(chuàng)新，才保證了我國航天任務(wù)的成功率。也創(chuàng)造了那么多讓人意想不到的驚喜。這些技術(shù)改進(jìn)，雖然看起來是“小碎步”，但正是這些“跬步”，奠定了日后技術(shù)騰飛的基礎(chǔ)！
四年前的嫦娥二號，超期服役三年有余，完成多項(xiàng)任務(wù)后仍在奔向深空，如今距離地球已經(jīng)有一億千米，成為中國飛得最遠(yuǎn)的飛行器，給大家留下深刻印象。我們有理由相信，本次嫦娥5號T1的服務(wù)艙也能超額完成各項(xiàng)科研任務(wù)，為我國航天事業(yè)爭光添彩。我們更有理由相信，未來的嫦娥5號可以按既定計(jì)劃完成無人采樣返回。雖然我國載人登月計(jì)劃尚未立項(xiàng)，但基于目前進(jìn)展，我覺得在可以預(yù)見的將來，月球上一定會出現(xiàn)我們中國航天員的英姿！
返回器回到北京
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