文章来自“科学大院”公众号作者：王柏懿
大年初二 ， 出嫁的女儿是要带着礼品回娘家的 。
而在去年12月17日凌晨 ， 历经23天的奔波劳碌 ， 嫦娥五号从月球上带回了“土特产”顺利回了“娘家” 。
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（图片来源：微博 @涡轮喷气蛋）
那么 ， 嫦娥五号是怎样回到娘家的？这里只谈谈返回器在距离地球5000公里处和轨道器分离后 ， 返回着陆的冲刺之举 。
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“嫦娥五号”从月面返回地面的轨迹示意图
01归心似箭 ， 但也不可太快
嫦娥五号从月球返回时 ， 进入地球大气层的初速度是10.9公里/秒 ， 和飞离地球的第二宇宙速度只相差300米/秒 。 要想在到达地面时毫发无损 ， 则它到达地面时的速度应当大体为零 。 所以 ， 航天工程师的首要任务就是：千方百计把返回器再入地球大气层的飞行速度减下来 。
如果是在弹道式轨道上完成这个减速过程 ， 那么最大过载会有8-10倍重力加速度 。 在这样的过载下 ， 如果航天器载有航天员 ， 人的身体便会受到很大的损伤、甚至死亡；如果带有精密仪表或珍贵样品 ， 它们的性能也可能会遭到影响或破坏 。 因此 ， 不能采用弹道式的抛物线再入轨道 ， 要设法增加轨道的长度 ， 使过载减小到5倍重力加速度以下 。 出于这样的考虑 ， “跳跃式进入”模式便成为嫦娥五号返回方案的首选 。
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“跳跃式进入”模式示意（图片来源：新华社）
02蹦蹦跳跳回娘家
这种“跳跃式”进入的学名是“弹道-升力式”进入 ， 也有人称之为“半弹道跳跃式” 。 具体到嫦娥五号的返回过程 ， 返回器先在距离地面约120公里的大气层边缘处以小再入角第一次再入 ， 然后就在地球引力作用下沿着抛物线弹道下落 ， 并受到大气的阻力而不断减速 。
在实施初次气动减速后 ， 返回器在距离地面约60公里处向上跃起而跳出大气层 ， 到达最高点之后 ， 在地球引力的作用下开始逐渐下降并再次进入大气层 。 这时 ， 返回器的再入速度已降为第一宇宙速度（7.9公里/秒） 。
之后 ， 返回器在大气层中实施二次气动减速 ， 在降至距地面大约10公里高度时 ， 降落伞顺利开伞 ， 嫦娥五号终于在预定的区域——四子王旗顺利着陆 。
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“嫦娥五号”返回器在内蒙古四子王旗安全着陆 （图片来源：新华社）
问题来了：在没有发动机推动的情况下 ， 返回器为何能在距离地面约60公里处“自动”跃起呢？这是因为 ， 返回器在大气中飞行时会产生一定的升力 。
尽管嫦娥五号返回器的形状不具备像飞机那样好的流线型 ， 升阻比（飞行器在同一迎角下升力与阻力的比值 ， 比值越大 ， 飞行器爬升性能越高）在0.1到0.5之间 。 但就是凭借这一点点的升力 ， 返回器开始爬升并“跃”出大气层 。 升阻比和返回器飞行攻角有一定的关系 ， 只要调整返回器的姿态 ， 就能够获得“跃起”所需的升力 。
不难理解 ， 这个“跳跃”动作是生死攸关的一跳——如果跳不起来 ， “嫦娥”就会一头栽下摔个粉身碎骨；如果跳过了 ， “嫦娥”就会逃离大气层而在太空里游荡 ， 既回不了“娘家” ， 也去不了“夫家” 。 不少人把“半弹道跳跃式”再入称为“打水漂” 。 但是严格地说 ， “嫦娥”是在“打气漂”！
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打水漂（图片来源：veer图库）
03凡人“打水漂” ， 仙女“打气漂”
“打水漂”和“打气漂”在尺度上完全不可同日而语：目前世界上打水漂游戏的最高纪录是122米 ， 而嫦娥五号打一个气漂就跳了大约2万公里 。 它首次再入大气层的位置是在南大西洋上空 ， 然后划过印度洋的上空 ， 飞跃4万里的路程 ， 才到达位于内蒙古四子王旗的“娘家”地 。
此外 ， 从力学机制来讲 ， 二者也是风马牛不相及：打水漂的石片是扁平形状 ， 它的理想弹道角（入水速度方向与水平面的夹角 ， 如图6的β）是20°左右 ， 并且只能在水面上跳动 ， 驱动力是石片和水的撞击力 。 而打气漂的“嫦娥”是钝头圆锥体 ， 它的再入角在10°以内 ， 它要在大气层内运动 ， 其驱动力是大气对返回器产生的气动升力 。
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碟形鹅卵石打水漂的力学模型及分析
那么 ， 返回器在“打气漂”过程中是如何制动减速的呢？高速空气动力学知识告诉我们 ， 以超声速运动的飞行器前方都会形成激波（强压缩波） ， 激波强度越大 ， 波后的速度越低 ， 压力和温度越高 。
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脱体激波（左）（图片来源：科技日报）
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脱体机波和附体机波（图片来源：科技日报）
激波可以分为脱体激波与附体激波 。 脱体激波只出现在钝头的超声速飞行器前方 ， 且强度比附体激波大得多 ， “制动”能力也更强 。 采用球冠倒锥形设计的嫦娥五号返回器前方会出现脱体激波 ， 其“波阻”很大 ， 在脱体的弓形激波后方 ， 气流的速度已经降为亚声速 ， 甚至还存在一个“驻点” ， 那里的气流完全迟滞下来了速度变为零 。 在空气动力学中 ， 这种在飞行器前方的脱体激波也称作“头激波” 。
除了承受波阻以外 ， 返回器还承受边界层（紧贴飞行器表面的薄薄一层流动区域）的“摩阻” 。 在波阻和摩阻的共同作用下 ， 返回器的再入飞行速度便能够显著减小 。
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球冠倒锥形钝头返回器的再入流谱
然而 ， 这种“制动”机制的副作用也很显著：因为气体的动能都变成了内能（热） ， 头激波后方气流的温度大大增加 。 这导致球冠迎风面处的温度高达数千度 。 目前 ， 没有一种金属结构材料能够承受这个温度 ， 也即是所谓的“热障”问题 。 观看航天返回器再入实况转播时 ， 我们都会看到在稠密大气层中 ， 它像一团火球急促地下落着 ， “热障”问题的严重性可见一斑 。
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再入大气层期间返回器像一团火球 （图片来源：中国空间技术研究院）
04回家心急如焚？平平安安才是真
为了让嫦娥五号安全回娘家 ， 攻克“热障”问题便成为航天专家的一项使命 。 经过长期研究 ， 他们制定出一种“以毒攻毒”的策略——烧蚀防热 。
“烧蚀防热”是指 ， 利用某种耐烧的材料（例如 ， 炭化烧蚀材料）做成蒙在返回器外面的防热层 ， 它在高温下会烧蚀掉一部分 ， 但与此同时 ， 也吸收了大量的气体热量 ， 返回器内部结构也就不再承受巨大的加热 ， 便可以安全回到娘家 。
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（图片来源：微博 @涡轮喷气蛋）
嫦娥五号回娘家返回的另一难关是“黑障” 。 它和“热障”是一对难兄难弟 ， 主要是指发生在35-80公里高程处较为稠密的大气层中 ， 飞行器与地面通信联络严重失效 ， 甚至完全中断的现象 。
这是由于 ， 在高温的作用下 ， 返回器周围空气中的分子发生了电离形成了“等离子体”（自由电子和正离子集合体 ， 其中电子和正离子的数量相等） ， 也即是包围飞行器的“等离子体鞘套” 。 其中的自由电子会和测控无线电波发生相互作用 ， 使得穿过等离子体鞘套的电波大大衰减 ， 当无线电波被完全被等离子体鞘套截止时 ， 就会产生所谓的“通讯中断”或“黑障”现象 。 而嫦娥五号需要在“黑障”区内 ， 调整返回器姿态产生升力完成跳跃 。 看似只有短暂的3分钟 ， 测控的难度却超乎想象 。 怎么办？为了保证这次探月活动成功 ， 我们派出“远望3号”停泊在印度洋深处 ， 为嫦娥五号保驾护航 。
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“远望3号”装备了多种测控设备 （图片来源：新华社）
“远望3号”船上装备了S频段测控设备 ， 在返回器进入“黑障”前短暂的100秒窗口内 ， 提前发出了调姿指令 。 此外 ， 船上的光电经纬仪承担能够对返回器进行光学跟踪 ， 单脉冲雷达则接受“等离子体鞘套”的反射信号 ， 它们共同负责返回器的目标搜索、捕获及跟踪任务 。 通过这些“神器” ， “远望3号”像在黑暗中放风筝一样 ， 紧紧牵着嫦娥五号回到了娘家 。
嫦娥五号回娘家的路上可谓充满艰难险阻 。 即便如此 ， 航天专家们还是克服重重技术难关 ， 让“可上九天揽月”的梦想成为现实 ， 也为我国探月工程四期和行星探测工程的接续实施铺垫基石 。 大年初二的这一天 ， 也许你选择了不回家 。 但没有关系 ， 无论身处星辰大海 ， 还是迢遥远方 ， 这个春节在外的游子们 ， 终究能如嫦娥五姑娘一样 ， 回到她心心念念的家 。
参考文献：
[1] 王希季（主编） ， 航天器进入与返回技术 。 宇航出版社 ， 北京 ， 1991.
[2] 赵梦熊 ， 载人飞船空气动力学 ， 国防工业出版社 ， 北京 ， 2000.
[3] 戚发轫（主编） ， 载人航天器技术 ， 国防工业出版社 ， 北京 ， 2003.
[4] Clanet C, Hersen F, Bocquet L. Secrets of successful stone-skipping. Nature, 2004, 427(6969):29-29.
[5]Rosellini L, Hersen F, Clanet C, et al. Skipping stones. Journal of Fluid Mechanics, 2005, 543:137-146.
（本文图片均由作者提供）
作者单位：中国科学院力学研究所
【嫦娥|嫦娥“五姑娘”，如何回娘家？】科学大院是中科院官方科普微平台 ， 由中科院科学传播局主办、中国科普博览团队运营 ， 致力于最新科研成果的深度解读、社会热点事件的科学发声 。
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