四子王旗着 嫦娥五号返回器携带月壤样品成功着陆！一文读懂你关心的六大问题
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腾讯太空 文/乔辉
据央视新闻消息，2020年12月17日凌晨2点左右，经过23天的太空之旅后，嫦娥五号返回器携带2千克月壤样品成功在内蒙古中部四子王旗着陆场着陆，标志着我国首次月球采样返回任务圆满完成！
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图注：空中红外相机已经看到了返回器。
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图注：地面搜索人员赶到。
据悉，嫦娥五号返回器的体积只有神舟飞船返回舱的七分之一，落区范围（着陆面积）却是后者的16倍，加上着陆场高寒冰雪的环境，这些都给搜寻工作造成了一定困难。按计划，回收后的嫦娥五号返回器在完成必要的地面处理工作后将空运至北京开舱，取出样品容器及搭载物。
从1976年前苏联月球20号探测器最后一次月球采样返回算起，这是时隔44年后人类再次采回月球样品。
一、为什么选择在内蒙古四子王旗着陆？
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除了本次嫦娥五号之外，此前我国神舟系列载人飞船也都选择在内蒙古四子王旗着陆场着陆。
资料显示，四子王旗海拔1000米到1200米，属沙质草原，地势平坦开阔，没有大的河流湖泊，属中温带大陆性气候，全年干燥少雨，空气能见度高。这一地区以畜牧业经济为主，牧民基本定居，大多孤门独户，人烟稀少，每平方公里人口不超过10人，房屋和高大树木占地面积远小于草地总面积的千分之一。因此，非常适合作为飞船的着陆场。
二、为什么嫦娥五号返回要采用“打水漂”的方式？
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图注：嫦娥五号返回器在地球大气层上空打水漂（动画模拟）。
这段时间，关心嫦娥五号探月的朋友可能已听说，嫦娥五号采用所谓的“打水漂”的方式返回。为什么要采用这种方式？其实这种返回方式绝不是为了好玩儿，其背后有深刻的科学道理。
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返回器从38万公里之外的月球飞往地球的过程中，相当于从38万公里的高度“掉”向地球，来到地球附近的时候，其速度已接近地球的第二宇宙速度（11.2公里每秒）！
我们知道，此前我国神舟飞船是在近地轨道上围绕地球运动，其速度接近地球的第一宇宙速度（7.9公里每秒）。
也就是说，嫦娥五号返回器的速度比神舟飞船返回器的速度要快得多，需要采用在地球大气层上”打水漂“的方式来延长减速过程和冷却时间，降低气动加热和冲压对舱体的危害。
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根据此前官方给出的图片显示，返回器在深入地球大气层60公里处开始反弹上升，爬升到100公里到140公里的高度后，重新进入大气层降落。
从上面可以看出，返回器在进入大气层的第一阶段所积累的热量，在跃回高空后得到了有效耗散，重新进入大气层后，速度就小得多了。
其实，这种“打水漂“的返回方式在科学上称为“半弹道跳跃式再入”，其中有两个关键词“半弹道”和“跳跃”。
所谓“半弹道”是指航天器在进入地球大气层时，可在一定程度上通过控制气动升力来控制落点方向，区别于“弹道式”返回的完全无升力协助。
所谓的“跳跃”是指航天器进入大气层后，由于气动升力的作用，再向上跃起，做出飞出地球大气层的动作。随后，航天器会在地球引力作用下，重新返回地球大气层。当然，这只是一个极简化的说法，专业上的解释要复杂和严格得多。
讲到这里，可能有朋友会问，为什么不采用火箭反推的方式减速？
一方面，嫦娥五号抵达月球的时候，就是利用火箭发动机反推的方式进行的减速，那是因为嫦娥五号抵达月球的时候速度本身已经比较低了，不像返回地球一样拥有几乎接近地球第二宇宙速度的速度。
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图注：科幻电影《星际穿越》中的剧照。男主驾驶徘徊者号飞船靠“米勒星球”上的大气阻力进行减速降落，舍不得用宝贵的燃料。
另一方面，月球没有大气层，无法利用大气层减速，使用火箭发动机反推减速是必须的。从另一个方面讲，使用火箭发动机反推减速需要消耗燃料，就需要火箭在发射的时候携带更多的燃料，这无疑给火箭增加了负担，降低了有效载荷的重量。
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