出發(fā)容易回家難，嫦娥五號(hào)為什么打個(gè)“水漂”才能到家,？

嫦娥五號(hào)軌道器（黃色）攜帶返回器（白色）從月球返回,，在地面5000公里上空分離，返回器返回地球（模擬圖）,。圖/航天科技集團(tuán)八院

新京報(bào)訊（記者倪偉）12月17日凌晨,，出發(fā)23天的嫦娥五號(hào)返回器著陸在內(nèi)蒙古四子王旗著陸場(chǎng)，我國首次月球采樣任務(wù)獲得成功,。

深夜蒼穹中,，嫦娥五號(hào)的回家之路蘊(yùn)含著重重威脅：返回器能否準(zhǔn)確回到著陸區(qū)域上空？降落傘能否準(zhǔn)時(shí)打開并切斷,？在通信的“黑障區(qū)”,，航天器能否作出自主判斷？

最具不確定性的一環(huán),，是返回器將兩次進(jìn)入大氣層,，仿佛打了個(gè)水漂。這個(gè)“水漂”會(huì)不會(huì)讓它滑得太遠(yuǎn),，以至于找不到家,？

這個(gè)“水漂”學(xué)名是“半彈道跳躍式再入返回”，是比航天員返回還要復(fù)雜的技術(shù),。在嫦娥五號(hào)任務(wù)的尾聲,，這場(chǎng)太空“水漂”貢獻(xiàn)了最后一幕驚險(xiǎn)的表演。

地球家門難進(jìn)

今天凌晨,，在到達(dá)地球5000公里之外時(shí),，嫦娥五號(hào)的“快遞小哥”軌道器與“月球快件”返回器分離，小小的返回器攜帶2千克月球樣品,，獨(dú)自踏上回家路,。

返回器以11.2公里/秒的第二宇宙速度急速?zèng)_向地球，在距離地面120公里高度,，像一顆彈頭扎入大氣層,。很快，借助大氣層的升力,，彈頭又躍了出來,，回到太空。到達(dá)最高點(diǎn)之后，再次下降,，二度進(jìn)入大氣層,。

一出一進(jìn)，返回器慢了下來,，從第二宇宙速度降到8公里/秒左右的第一宇宙速度,。接下來，它跟以前的神舟飛船返回艙一樣,，一邊穿越大氣層一邊減速,，在地面十公里上空打開降落傘，緩緩墜地,。

回收神舟飛船返回艙,，四子王旗著陸場(chǎng)已經(jīng)駕輕就熟，而這次回收,，讓著陸場(chǎng)面臨新的難題,。差別主要在于速度。

“神舟飛船從200公里左右的近地軌道返回,，嫦娥五號(hào)則是從38萬公里之外的月球飛回,，速度要快得多?！焙教旒夹g(shù)專家、空氣動(dòng)力學(xué)家黃志澄告訴新京報(bào)記者,，如果采用神舟飛船同樣的防熱技術(shù)和返回方式,，一不小心，返回器可能會(huì)撞毀或者燒壞,。

漫漫征途,，不能在家門口摔倒。

安全返回,，一直是嫦娥五號(hào)任務(wù)的幾大難點(diǎn)之一,。早在十年前嫦娥五號(hào)立項(xiàng)之初，航天專家就為此頭疼,。中國探月工程副總設(shè)計(jì)師于登云曾回憶,，以王禮恒院士為代表的航天專家認(rèn)為，嫦娥五號(hào)高速返回是我國首次嘗試,，與任務(wù)成敗息息相關(guān),，如果不事先驗(yàn)證，風(fēng)險(xiǎn)是巨大的,。

為此,，在嫦娥一號(hào)到五號(hào)探測(cè)器之外，嫦娥工程中增加了唯一一次試驗(yàn)飛行任務(wù),，專門驗(yàn)證嫦娥五號(hào)的返回方案,。這就是2014年實(shí)施的探月三期再入返回飛行試驗(yàn)器——“嫦娥-5T”任務(wù),。

“嫦娥-5T”當(dāng)年沒有落月，在月球飛了幾圈之后便返回地球,，重頭戲是在地球大氣層打個(gè)“水漂”,，先降速再返回。

這種“半彈道跳躍式再入返回”技術(shù)方案,，使結(jié)構(gòu)和防熱系統(tǒng)的壓力都得到緩解,，也使航程和落點(diǎn)達(dá)到理想的結(jié)果。這次,，嫦娥五號(hào)返回器就是這么回來的,。

探月三期再入返回飛行試驗(yàn)器返回過程和軌跡。圖/《中國科學(xué)》雜志

“太空水漂”返回術(shù)

從月球高速返回,，人類并沒有多少可選的路徑,。要么“硬沖”，也就是彈道式再入,；要么借助大氣層摩擦力緩沖,，先減一次速，也就是半彈道跳躍式再入,。

蘇聯(lián)于1968年發(fā)射的探測(cè)器6號(hào)完成繞月飛行后,，首次實(shí)現(xiàn)了跳躍式再入返回，隨后美國阿波羅飛船帶著航天員和樣品返回時(shí),，也采用這種方式,。而蘇聯(lián)的“月球”系列、美國的“星塵”和“起源”,，以及日本的“隼鳥”等無人深空探測(cè)器,，采用了較簡單的彈道式再入方式，也就是直接返回,。

兩種方式各有優(yōu)劣,。采用彈道式直接再入的返回艙，無法進(jìn)行姿態(tài)和軌道的調(diào)節(jié),，對(duì)軌道設(shè)計(jì),、分離釋放和落點(diǎn)預(yù)報(bào)能力要求很高；而半彈道跳躍式的返回艙比較靈活,，但系統(tǒng)配置和制導(dǎo)控制方案更為復(fù)雜,，質(zhì)量也要大得多。

從全球來看,，無人采樣返回任務(wù)中兩種方式都采用過,，載人深空探測(cè)任務(wù)則采用半彈道跳躍式再入方式。

解決完返回方式的問題，嫦娥五號(hào)還需要應(yīng)對(duì)一個(gè)致命的威脅——高溫,。

黃志澄告訴新京報(bào)記者,，防熱是這次返回中嫦娥五號(hào)面對(duì)的大難題。由于返回速度過高,，若防熱技術(shù)不過關(guān),，有可能在大氣層高速摩擦中燒毀。另外,，跳躍式再入方式使得防熱結(jié)構(gòu)表面經(jīng)歷高溫,、低溫、再次高溫的歷程,熱沖擊有可能導(dǎo)致防熱層表面開裂,。

防熱設(shè)計(jì)有兩個(gè)重要的目標(biāo)：降低熱流密度和總加熱量,。熱流密度過大，可能燒穿返回器頭部和一些部位,。熱流密度與半徑的開方值成反比,，也就是說，物體越小熱流密度越大,。此次嫦娥五號(hào)返回器比神舟返回艙小得多,，只有后者的七分之一，降低熱流密度難度陡增,。而總加熱量越大,，防熱系統(tǒng)就要設(shè)計(jì)得越厚、越重,，為了給航天器減重,，必須控制總加熱量。

“另外,，再入軌道和防熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還要盡可能降低過載和提高落點(diǎn)精度,?！秉S志澄說。過載就是加速度,，過載如果太大,，不僅航天員的身體受不了，月壤在返回器內(nèi)也可能受到影響,。

嫦娥五號(hào)返回器再入大氣層（模擬圖）,。圖/航天科技集團(tuán)八院

為載人登月練功夫

黃志澄認(rèn)為，嫦娥五號(hào)之所以要攻克“打水漂”的難題,，是為了兼顧長遠(yuǎn)目標(biāo),，為未來更復(fù)雜的深空探測(cè)返回積累經(jīng)驗(yàn)。“未來如果從火星等更遠(yuǎn)的星球采樣返回,，速度會(huì)更快,，我們積累了多種返回技術(shù)，可以讓未來有更多選擇,?！?/p>

此次嫦娥五號(hào)的任務(wù)，主要是完成月球采樣返回,。但其蘊(yùn)含的多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新,，有著提前探路的考慮。比如,，月球軌道上的交會(huì)對(duì)接,，很可能就是載人登月交會(huì)對(duì)接的雛形。據(jù)官方介紹,，嫦娥五號(hào)三大工程目標(biāo)之一,，就是為載人登月和深空探測(cè)奠定一定的人才、技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ),。

于登云說,，中國通過這次無人采樣返回兼顧了兩件事，這是中國方案最大的亮點(diǎn),。

嫦娥五號(hào)的返回,，建立在我國近50年的航天器返回基礎(chǔ)之上。中國最早的航天器返回始于上世紀(jì)60年代末的探空火箭,，后來經(jīng)歷返回式衛(wèi)星,、飛船返回艙，技術(shù)一步步成熟,。

未來,，中國還將面臨更復(fù)雜的返回任務(wù)。嫦娥一號(hào)衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師葉培建,、嫦娥五號(hào)探測(cè)器總設(shè)計(jì)師楊孟飛等人曾在論文中提出,，火星巡視探測(cè)、有大氣天體的進(jìn)入探測(cè)乃至載人登月等,，都將面臨進(jìn)入和再入的難題,。在深空探測(cè)再入返回和有大氣天體進(jìn)入技術(shù)方面,我國還應(yīng)繼續(xù)深入開展研究，包括氣動(dòng)外形,、防熱材料,、導(dǎo)航手段、降落傘,、測(cè)控等環(huán)節(jié),。

“月球很特殊,，表面沒有大氣，因此不存在進(jìn)入的問題,。但是未來探測(cè)器如果要進(jìn)入有大氣的星球,，比如火星，在著陸時(shí)就會(huì)面臨同樣的考驗(yàn),?！秉S志澄說，嫦娥五號(hào)的探索,，讓我們手握更多打開深空之門的鑰匙,。

新京報(bào)記者倪偉

編輯陳思校對(duì)李立軍