归来 挖土归来！“嫦五”回家的方式很特别
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12月17日1时59分，嫦娥五号返回器携带月球样品在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆，标志着我国首次地外天体采样返回任务圆满完成。
许多人小时候，都在池塘边玩过打水漂。只要力道、手法得当，甩出的小石子能在水面连蹦几下，划出漂亮的弧线。
如今，这个古老而有趣的游戏，被融入高大上的航天任务中。2020年12月17日，嫦娥五号返回舱利用同样的原理，在大气层表面打了个“水漂”，安全返回地球。
【 归来|挖土归来！“嫦五”回家的方式很特别】嫦娥五号的返回方案中有两点需要特别注意：一是返回舱再入返回大气层的速度提高一倍，再入热量就将提高8～9倍，若以第二宇宙速度直接再入返回大气层，摩擦会产生巨大的热能，所以需要设计一个既安全又稳妥的返回路线，并且做好返回器的热防护设计；二是由于我国的人口密度大，适合充当降落区的地方有限，这对返回器的降落精度也提出更高要求。
“太空打水漂”是什么？
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图源：中国航天科技集团。
这个“太空水漂”，航天术语叫“半弹道跳跃式返回”，即在返回器第一次进入大气层一定“深度”并滑行一定距离后，调整返回器姿态，使其再次升高，随着返回器的升高，其速度会进一步降底，在降到第一宇宙速度以下时返回器便不再满足成为一颗地球卫星的基本条件，再次开始下落，然后以类似神舟飞船的返回过程返回地球，后面的“回家”方式就轻车熟路了。
降到第一宇宙速度以下的目的？
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图源：中国航天科技集团。
减少再入时因速度过快对返回舱的过度烧蚀，尽可能的降低防热层的厚度和重量，多带月壤回来。
再入时速度较高的阶段大气比较稀薄，烧蚀不会太严重，而进入稠密大气层的时候速度又没那么快了，过载低的同时热流也更小。可以把热盾做的更轻薄，从而带更多的载荷回来。
“贴心防热衣”的重要性？
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图源：中国航天科技集团。
针对月球轨道返回热环境、空间环境和重量的要求，科研人员提出了不同部位耐烧蚀和隔热的具体需求与指标，从33种新研材料中筛选出了7种防热材料，完成了防热材料的布局和局部防热结构设计，实现了我国由近地轨道再入到深空轨道再入的防热结构设计跨越。
科研人员提出了三维传热烧蚀分析方法，采用整体变厚度、变密度，分区域、偏轴设计方案，突破了轻量化设计关键技术，并利用一维烧蚀分析和三维温度场分析相结合的数值分析方法，实现了用全面的局部烧蚀试验代替整器烧蚀试验，为试验任务的成功奠定了基础。
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图源：中国航天科技集团。
有了以上这些优势，经历了“打水漂”后的嫦娥五号，更利于控制，落点更加精确；通过跳跃式弹起然后再入的返回方式，可以拉长返回器再入距离，达到消耗掉返回器的部分能量，从而减小着陆速度，并有利于选择降落区，最大化的确保了飞行器的顺利返回。
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（部分图片来源于网络）
◎本文专家 | 庞之浩（中国空间技术研究院研究员、全国空间探测技术首席科学传播）
◎来源 | 综合科技日报、中国科学技术出版社编辑团队整理
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