科技史上的今天 | 1993·12·25我國科學(xué)家成功跟蹤失控返回式衛(wèi)星

1993年12月25日，中國科學(xué)院的人造衛(wèi)星跟蹤觀測系統(tǒng)已成功地捕獲到兩個多月前失控的一顆返回式衛(wèi)星。

1993年10月8日，我國發(fā)射的第15顆返回式衛(wèi)星在返回變軌時失控。按原定計劃，這顆衛(wèi)星應(yīng)當在10月16日返回，但是當?shù)孛姘l(fā)出返回指令后，由于衛(wèi)星姿控未能調(diào)到預(yù)定的角度，它便以錯誤的姿態(tài)接受了指令，于是拐上了另一條軌道。當時據(jù)初步分析，事故的原因是衛(wèi)星在運行段俯仰紅外通道發(fā)生了故障，造成了姿態(tài)確定錯誤，致使衛(wèi)星回收失敗。

10月20日，中國科學(xué)院啟動了它的衛(wèi)星觀測網(wǎng)，開始對這顆衛(wèi)星進行跟蹤。當天晚上，南京和烏魯木齊觀測站攔截到了衛(wèi)星，并取得了觀測資料，提供了衛(wèi)星的變光特征。經(jīng)驗證，變光特征與星體有一面鍍鋁、錐面上是黑色或綠色的特征相一致，因此判定觀測目標正確無誤。

中國是第三個突破航天器返回技術(shù)的國家。在40余年的發(fā)展歷程中，返回式衛(wèi)星成為中國發(fā)射最多的衛(wèi)星系列。據(jù)專家介紹，返回式衛(wèi)星中有許多關(guān)鍵技術(shù)到目前仍然是訣竅，例如再入防熱技術(shù)、姿態(tài)控制、回收軟著陸技術(shù)等，中國的載人航天技術(shù)也是在返回式衛(wèi)星技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。

航天器返回技術(shù)發(fā)展歷程

不管載人航天器在太空停留多久，最終總要返回地球。航天專家曾經(jīng)指出：“以登月飛行為例，整個行程包括太空船升空、軌道上行進、指揮艙繞月、登月艙降落、太空人在月球表面漫步并采掘月球巖石標本、登月艙離開月球、登月艙與指揮艙會合與聯(lián)結(jié)，然后返回地球軌道、重入大氣層及最后降落。所有這些步驟中，最危險的不是40萬公里的航程，也不是月球表面的登陸，而是重返大氣層?！庇纱丝梢?，人類的宇宙飛行，決定于航天器的返回技術(shù)。

航天器返回技術(shù)是以再入防熱技術(shù)、火箭回收技術(shù)和某些航空器回收技術(shù)為基礎(chǔ)逐步發(fā)展形成的。20世紀40年代末，美國和蘇聯(lián)競相利用V-2導(dǎo)彈改裝成地球物理探測火箭，將科學(xué)探測儀器和試驗生物等發(fā)射到100公里以上的高度，然后回收到地面。此時再入速度較小，制動過載和氣動加熱還不成為問題。隨著導(dǎo)彈射程的增加，彈頭再入速度越來越大，氣動加熱問題日益嚴重。為此人們從彈頭外形到防熱材料開始進行系統(tǒng)的研究。

1957年，蘇聯(lián)和美國相繼突破遠程導(dǎo)彈彈頭再入防熱的技術(shù)難關(guān)。1959年美國用降落傘完整地回收了洲際導(dǎo)彈的試驗彈頭，顯示了燒蝕防熱的有效性和應(yīng)用氣動減速原理的可能性。

50年代末，美國和蘇聯(lián)積極開展衛(wèi)星返回技術(shù)的研究。1960年至1961年初，美國的“發(fā)現(xiàn)者”號衛(wèi)星和蘇聯(lián)的衛(wèi)星式飛船先后成功地返回地面。至此，人類從環(huán)地軌道返回的技術(shù)基本成熟，為載人航天奠定了基礎(chǔ)。

1961年4月12日，蘇聯(lián)“東方”號飛船成功返回，揭開了載人航天的新紀元。美國在取得“水星”號飛船彈道式返回成功之后，開展了升力彈道式也稱半彈道式返回技術(shù)的研究。1965年美國“雙子星座”號飛船成功地進行了半彈道式返回技術(shù)試驗，大大提高了著陸精度，也為“阿波羅”號飛船月球返回技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

1968年12月21日，“阿波羅”號飛船首次載3名航天員飛向月球，在繞月球飛行后安全返回地面。在此前后，蘇聯(lián)也在進行月球著陸和返回技術(shù)的研究，1970年9月蘇聯(lián)“月球”16號探測器的返回艙帶著月球土壤返回地面。1981年4月12日，美國“哥倫比亞”號航天飛機滑翔返回首次成功，開創(chuàng)了載人航天的又一新階段。

中國航天器返回技術(shù)是基于探空火箭回收技術(shù)和再入防熱技術(shù)發(fā)展起來的。自1959年起，中國開始研究火箭返回技術(shù)，取得進展，并在再入防熱技術(shù)方面獲得重要突破。1975年11月26日，中國第一顆返回型遙感衛(wèi)星發(fā)射成功。衛(wèi)星在軌道上正常運行3天后，按預(yù)定計劃返回地面。1976年、1978年、1982年、1983年和1984年，中國又接連5次成功地發(fā)射了返回型遙感衛(wèi)星，并全部安全返回地面。中國遂成為世界上三個掌握人造地球衛(wèi)星返回技術(shù)的國家之一。

航天器返回是一項復(fù)雜的技術(shù)

航天器在軌道上的運動是在地心力場作用下，基本按天體力學(xué)規(guī)律運動，改變運行速度可使航天器脫離原來的運行軌道而轉(zhuǎn)入另一條軌道，若速度的變化可轉(zhuǎn)向進入地球大氣層的軌道，則可能實現(xiàn)返回。

航天器返回技術(shù)是一項復(fù)雜的綜合性技術(shù)，為使航天器安全返回和準時定點著陸，返回控制和制導(dǎo)、再入大氣層的防熱、回收和著陸是返回技術(shù)的關(guān)鍵。

航天器的返回按技術(shù)特點分為：彈道式返回、半彈道式返回和滑翔式返回三類。

彈道式和半彈道式再入航天器的返回艙必須有回收系統(tǒng)，下降到20公里左右的高度時達到穩(wěn)定下降速度，然后逐級展開氣動力減速裝置（如降落傘），使返回艙進一步減速，直至安全降落或濺落。此時，回收系統(tǒng)不斷發(fā)出信標信號，使地勤人員迅速尋找宇航員。航天飛機是滑翔式返回的典型，其具有相當大的機動滑翔能力，亞音速氣動力特性可使它在預(yù)定場地的跑道上水平著陸，可多次進行水平著陸的技術(shù)是重復(fù)使用航天飛機的先決條件。對于在近地軌道上運行的航天器，最簡單的返回方法是利用地球高層稀薄大氣的微弱阻力使航天器運行軌道自然降低，然后進入稠密大氣層以實現(xiàn)返回，即所謂軌道衰減法返回或制動橢圓法返回。采用這種方法返回雖然簡單，但很難預(yù)計著陸時間和位置，而且需要很長的制動時間，因此這種方法只是在載人航天的初期，準備在發(fā)生故障無法實現(xiàn)航天器的強制返回時，作為一種備用的應(yīng)急返回方案。實際上航天器返回是應(yīng)用變軌的原理，強制航天器脫離原來運行軌道再入地球大氣層實現(xiàn)返回，即采用直接進入法返回。按照這種方法，航天器從外層空間返回地面須經(jīng)歷離軌、過渡、再入和著陸4個階段。