易坊好文馆

  1. 首页 > 玩科技 >

月球|出发容易回家难，嫦娥五号为什么打个“水漂”才能到家？

嫦娥 月球 地球 方式 嫦娥五号 任务 才能 大气层 水漂 弹道 返回器 神舟飞船 黄志澄


月球|出发容易回家难，嫦娥五号为什么打个“水漂”才能到家？
文章图片

【月球|出发容易回家难，嫦娥五号为什么打个“水漂”才能到家？】嫦娥五号轨道器（黄色）携带返回器（白色）从月球返回 ， 在地面5000公里上空分离 ， 返回器返回地球（模拟图） 。 图/航天科技集团八院
新京报讯（采访人员 倪伟）12月17日凌晨 ， 出发23天的嫦娥五号返回器着陆在内蒙古四子王旗着陆场 ， 我国首次月球采样任务获得成功 。
深夜苍穹中 ， 嫦娥五号的回家之路蕴含着重重威胁：返回器能否准确回到着陆区域上空？降落伞能否准时打开并切断？在通信的“黑障区” ， 航天器能否作出自主判断？
最具不确定性的一环 ， 是返回器将两次进入大气层 ， 仿佛打了个水漂 。 这个“水漂”会不会让它滑得太远 ， 以至于找不到家？
这个“水漂”学名是“半弹道跳跃式再入返回” ， 是比航天员返回还要复杂的技术 。 在嫦娥五号任务的尾声 ， 这场太空“水漂”贡献了最后一幕惊险的表演 。
地球家门难进
今天凌晨 ， 在到达地球5000公里之外时 ， 嫦娥五号的“快递小哥”轨道器与“月球快件”返回器分离 ， 小小的返回器携带2千克月球样品 ， 独自踏上回家路 。
返回器以11.2公里/秒的第二宇宙速度急速冲向地球 ， 在距离地面120公里高度 ， 像一颗弹头扎入大气层 。 很快 ， 借助大气层的升力 ， 弹头又跃了出来 ， 回到太空 。 到达最高点之后 ， 再次下降 ， 二度进入大气层 。
一出一进 ， 返回器慢了下来 ， 从第二宇宙速度降到8公里/秒左右的第一宇宙速度 。 接下来 ， 它跟以前的神舟飞船返回舱一样 ， 一边穿越大气层一边减速 ， 在地面十公里上空打开降落伞 ， 缓缓坠地 。
回收神舟飞船返回舱 ， 四子王旗着陆场已经驾轻就熟 ， 而这次回收 ， 让着陆场面临新的难题 。 差别主要在于速度 。
“神舟飞船从200公里左右的近地轨道返回 ， 嫦娥五号则是从38万公里之外的月球飞回 ， 速度要快得多 。 ”航天技术专家、空气动力学家黄志澄告诉新京报采访人员 ， 如果采用神舟飞船同样的防热技术和返回方式 ， 一不小心 ， 返回器可能会撞毁或者烧坏 。
漫漫征途 ， 不能在家门口摔倒 。
安全返回 ， 一直是嫦娥五号任务的几大难点之一 。 早在十年前嫦娥五号立项之初 ， 航天专家就为此头疼 。 中国探月工程副总设计师于登云曾回忆 ， 以王礼恒院士为代表的航天专家认为 ， 嫦娥五号高速返回是我国首次尝试 ， 与任务成败息息相关 ， 如果不事先验证 ， 风险是巨大的 。
为此 ， 在嫦娥一号到五号探测器之外 ， 嫦娥工程中增加了唯一一次试验飞行任务 ， 专门验证嫦娥五号的返回方案 。 这就是2014年实施的探月三期再入返回飞行试验器——“嫦娥-5T”任务 。
“嫦娥-5T”当年没有落月 ， 在月球飞了几圈之后便返回地球 ， 重头戏是在地球大气层打个“水漂” ， 先降速再返回 。
这种“半弹道跳跃式再入返回”技术方案 ， 使结构和防热系统的压力都得到缓解 ， 也使航程和落点达到理想的结果 。 这次 ， 嫦娥五号返回器就是这么回来的 。

月球|出发容易回家难，嫦娥五号为什么打个“水漂”才能到家？
文章图片

探月三期再入返回飞行试验器返回过程和轨迹 。 图/《中国科学》杂志
“太空水漂”返回术
从月球高速返回 ， 人类并没有多少可选的路径 。 要么“硬冲” ， 也就是弹道式再入；要么借助大气层摩擦力缓冲 ， 先减一次速 ， 也就是半弹道跳跃式再入 。
苏联于1968年发射的探测器6号完成绕月飞行后 ， 首次实现了跳跃式再入返回 ， 随后美国阿波罗飞船带着航天员和样品返回时 ， 也采用这种方式 。 而苏联的“月球”系列、 美国的“星尘”和“起源” ， 以及日本的“隼鸟”等无人深空探测器 ， 采用了较简单的弹道式再入方式 ， 也就是直接返回 。
两种方式各有优劣 。 采用弹道式直接再入的返回舱 ， 无法进行姿态和轨道的调节 ， 对轨道设计、分离释放和落点预报能力要求很高；而半弹道跳跃式的返回舱比较灵活 ， 但系统配置和制导控制方案更为复杂 ， 质量也要大得多 。
从全球来看 ， 无人采样返回任务中两种方式都采用过 ， 载人深空探测任务则采用半弹道跳跃式再入方式 。
解决完返回方式的问题 ， 嫦娥五号还需要应对一个致命的威胁——高温 。
黄志澄告诉新京报采访人员 ， 防热是这次返回中嫦娥五号面对的大难题 。 由于返回速度过高 ， 若防热技术不过关 ， 有可能在大气层高速摩擦中烧毁 。 另外 ， 跳跃式再入方式使得防热结构表面经历高温、低温、再次高温的历程, 热冲击有可能导致防热层表面开裂 。
防热设计有两个重要的目标：降低热流密度和总加热量 。 热流密度过大 ， 可能烧穿返回器头部和一些部位 。 热流密度与半径的开方值成反比 ， 也就是说 ， 物体越小热流密度越大 。 此次嫦娥五号返回器比神舟返回舱小得多 ， 只有后者的七分之一 ， 降低热流密度难度陡增 。 而总加热量越大 ， 防热系统就要设计得越厚、越重 ， 为了给航天器减重 ， 必须控制总加热量 。
“另外 ， 再入轨道和防热系统的设计 ， 还要尽可能降低过载和提高落点精度 。 ”黄志澄说 。 过载就是加速度 ， 过载如果太大 ， 不仅航天员的身体受不了 ， 月壤在返回器内也可能受到影响 。
嫦娥五号返回器再入大气层（模拟图） 。 图/航天科技集团八院
为载人登月练功夫
黄志澄认为 ， 嫦娥五号之所以要攻克“打水漂”的难题 ， 是为了兼顾长远目标 ， 为未来更复杂的深空探测返回积累经验 。 “未来如果从火星等更远的星球采样返回 ， 速度会更快 ， 我们积累了多种返回技术 ， 可以让未来有更多选择 。 ”
此次嫦娥五号的任务 ， 主要是完成月球采样返回 。 但其蕴含的多项技术创新 ， 有着提前探路的考虑 。 比如 ， 月球轨道上的交会对接 ， 很可能就是载人登月交会对接的雏形 。 据官方介绍 ， 嫦娥五号三大工程目标之一 ， 就是为载人登月和深空探测奠定一定的人才、技术和物质基础 。
于登云说 ， 中国通过这次无人采样返回兼顾了两件事 ， 这是中国方案最大的亮点 。
嫦娥五号的返回 ， 建立在我国近50年的航天器返回基础之上 。 中国最早的航天器返回始于上世纪60年代末的探空火箭 ， 后来经历返回式卫星、飞船返回舱 ， 技术一步步成熟 。
未来 ， 中国还将面临更复杂的返回任务 。 嫦娥一号卫星总设计师叶培建、嫦娥五号探测器总设计师杨孟飞等人曾在论文中提出 ， 火星巡视探测、有大气天体的进入探测乃至载人登月等 ， 都将面临进入和再入的难题 。 在深空探测再入返回和有大气天体进入技术方面, 我国还应继续深入开展研究 ， 包括气动外形、防热材料、导航手段、降落伞、测控等环节 。
“月球很特殊 ， 表面没有大气 ， 因此不存在进入的问题 。 但是未来探测器如果要进入有大气的星球 ， 比如火星 ， 在着陆时就会面临同样的考验 。 ”黄志澄说 ， 嫦娥五号的探索 ， 让我们手握更多打开深空之门的钥匙 。
新京报采访人员 倪伟
编辑 陈思 校对 李立军

    推荐阅读


    上一篇：中国青年报|“刷榜”帮凶被公诉 释放标本兼治信号

    下一篇：研究|嫦娥五号带回的2千克样品，有怎样的价值？