作者：伊卡鲁斯二号
链接：为何嫦娥五号选择“太空打水漂”的返回方案？
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地月的距离其实很远 ， 当探测器从月球返回的时候 ， 几乎是在垂直向着地球做自由落体 ， 重力会不断加速探测器 ， 最终会把它加速到10.9KM/S的速度 ， 比第二宇宙速度只差了300M/S（因为月球还在地球的引力范围之内 。 在这个范围之内 ， 距离越远 ， 再入速度越快 ， 但不会超过第二宇宙速度 。 但如果是来自引力范围之外的天体（比如从绕日轨道返回） ， 则必然会超过第二宇宙速度）
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太空中没有阻力 ， 到了目的地怎么停下来呢？对于月球 ， 还可以用火箭强行消 ， 毕竟它引力小、速度慢（环绕速度、公转速度都仅1KM/S多一点） 。
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但对于地球这么大引力的物体 ， 就行不通了 。 化学火箭若想提供更大的速度增量 ， 就必须增加燃料 ， 可燃料本身又会增加死重 。 根据公式dV=Isp*g*ln(m0/m1) ， 随着速度增量的增加 ， 火箭质量会指数倍地提升 。 如果你要留下足够的燃料停下返回舱 ， 那么发射时的火箭质量将会达到长征五号的数倍（不止两倍） ， 这是不可接受的 。
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好消息是 ， 地球有大气层 ， 如果我们把月地返回轨道的近地点控制在大气层内 ， 那么大气阻力就能作用在返回舱上 ， 把动能变成热量带走 。 如果我们能把进入大气层的位置精确控制在一个叫“再入走廊”的范围内 ， 那么大气密度就能够把返回舱减速到“地心引力始终大于返回舱绕地旋转所需的向心力” ， 但又不至于直接对地撞下去 。 随后 ， 轨道半径不断降低——进入低空更稠密的大气层中——接受更大过载地减速 ， 最终就能停下来了 。 这就是弹道式再入 。
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然而 ， 问题又来了 。 10.9KM/S的速度 ， 已经远远超过了7.9KM/S的近地轨道再入速度 ， 如果用弹道式再入 ， 那么巨大的过载和加热 ， 必然会损坏返回舱 。 基于同样的理由 ， 我们一般不会用火箭反推来消除这个速度差 ， 那该怎么办呢？
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大气压随高度增加而减小
大气层的绝大多数气体都集中在地球表面2万米以下的空间内 ， 越往高空越稀薄 。 对于同一速度的物体 ， 空气越稀薄 ， 所能产生的阻力越小 。 如果我们能够让探测器一直停留在高层大气之中不落下来 ， 那么就可以慢慢减速、一点点释放热量 。
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地球上空100KM海拔的高度线 ， 被称为“卡门线” 。 在这条线以上 ， 以轨道速度运行的物体无论如何都不能获得比重力更大的升力 ， 所以是失重的；在这条线以下 ， 只要飞行器经过精心设计 ， 就一定能够在轨道速度让升力高于重力 。 这样的再入器可以像飞机一样滑翔 ， 这就是“升力再入” 。
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简单粗暴的方式是加个翅膀 ， 也就是航天飞机 。 但我们的返回舱是锥状的 ， 那怎么产生升力呢？我们可以让返回舱的重心偏移一些 。 这样 ， 隔热罩就会与气流产生一个攻角 ， 将更多的气流向下推 ， 返回舱就获得了一个向上的升力 。 如果我们还能人工控制重心的位置 ， 那么我们还能调节升力的方向 ， 从而精确控制落点 。 不过这种再入虽有升力 ， 却比航天飞机等有翼航天器弱很多 ， 在再入的绝大多数时间里都无法与重力抗衡 。 我们把这种介于弹道再入与升力再入之间的方式 ， 称为“半弹道式再入” 。
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返回舱获得升力
半弹道式再入延长了在大气层内减速的时间 ， 从而降低了过载和热载 。 但是 ， 延长时间 ， 也会导致热量持续在返回舱上堆积 ， 从外向内不断传导 。 返回舱的隔热罩厚度有限 ， 如果持续不断施加高温 ， 没有散热的机会 ， 即使空气稀薄、温度相对较低 ， 也迟早会被烧穿 。
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使用后的隔热罩
有没有办法让探测器在再入的过程中“休息”一下呢？
实现这一目的的方式 ， 就是采用升/阻比更大外形的返回舱 。 比如更类似锥形的外形 ， 可以有更大的隔热罩面积 ， 从而推动更多的空气 ， 产生更多的升力 。 升/阻比越高 ， 同等阻力下产生的升力也越大 。
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对于同一升阻比的物体 ， 空气密度越高、流动速度越快 ， 升力就越大 。 只要升阻比够大 ， 随着高度的不断降低 ， 空气密度越来越大 ， 其升力会最终超过重力 ， 把返回舱向上再次抬起 。 由于之前速度已经有所下降 ， 所以返回舱抬起后不会进入轨道 ， 而是会进入一条亚轨道 ， 在稀薄的高层空气中飞过一条弧线 ， 然后再次落入稠密大气之中 。
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返回舱第一次再入时必须精确对准再入走廊 ， 不能高也不能低 ， 就像你打水漂的时候 ， 石头出手的角度很重要 。 随后 ， 它会承受2.5G的加速度持续减速 ， 直到轨迹被重新抬起 。 通过调整返回舱的再入攻角大小 ， 我们可以控制抬轨迹被抬起的程度 。
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随后 ， 在高层大气中 ， 持续经历仅0.05G的近似失重 ， 把之前积累的热量散发掉 。 直到重新向下落 ， 然后再经历一段2G加速度的黑障区 ， 最终减速到终端速度 ， 然后打开降落伞安全着陆 。
需要注意的是 ， “跳跃式再入”必须和另一种被俗称“打水漂”的“大气制动”区分开 ， 因为它们并不是一回事 。
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大气制动是在近地点利用高层大气的阻力 ， 把探测器从逃逸轨道减速到捕获轨道 ， 然后再不断降低其远地点 ， 最终达到轨道正圆化的一种技术 。 这种探测器也会在进入大气层后重新向上脱离大气层 ， 但这完全不是源自升力 ， 而是因为它们切入大气层的角度本来就在“再入走廊”的上方 ， 大气过于稀薄 ， 并不足以消除其水平速度 ， 探测器始终都没有脱离过轨道 ， 它只是在沿着星球的切线方向穿过大气层 ， 看起来像是打了个水漂而已 。
区别“跳跃式再入”与“大气制动”的最主要特征 ， 就是看物体是否还留在轨道上 。
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在火星尝试大气制动示意图（绿点为火星 ， 紫色线条是轨道）
地球大气过于稠密 ， 目前还没有国家在地球试验过大气制动 。 只有美国在火星尝试过 。 我国至今未实现过大气制动 ， 但我国早就已经掌握了跳跃式再入的技术 。
早在2014年 ， 我国就已经用T1试验器 ， 飞过一次地月自由返回轨道（飞到月球 ， 利用月球引力掉个头 ， 回到地球） ， 并用跳跃式再入 ， 成功着陆了一个神舟飞船的缩小版返回舱 。
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T1试验器由长三丙火箭在西昌发射
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T1试验器飞掠月球背面 ， 利用月球引力掉头返回地球
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T1试验器是由一个类似于嫦娥一号的母体 ， 和一个缩小版的神舟返回舱组成的
不知道有没有人注意到 ， 这种再入方式 ， 可以让物体在水平方向上运动更长的距离？那你想到它还有其他的什么用途了吗？
弹道导弹是一种亚轨道飞行器 。 每个拥有弹道导弹的国家 ， 都希望导弹能打得更远 ， 威慑更多的外国 。 通常弹道导弹飞行的距离完全要依靠火箭关机时的初速度 ， 打得越远 ， 火箭燃料就得越多 ， 造成质量的浪费 。 有什么办法可以少用一些燃料 ， 把弹头打得更远呢？简单！给弹头装个翅膀不就行了？然后 ， 弹头就变成了这个样子：
这种有升力的弹头 ， 在再入过程中 ， 会维持在高层大气中弹跳数次 ， 不会落下来 ， 直到速度耗尽为止 。 这个过程中它会在水平方向滑出相当远的距离 。 不仅如此 ， 有升力的弹头 ， 还能实现自主控制 ， 飞出曲线 ， 规避敌方的拦截导弹 。
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【大气层|为何嫦娥五号选择“太空打水漂”的返回方案？】编辑：zhenni
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