嫦娥“五姑娘”，如何回娘家？
2021/2/13 7:00:00 科学大院
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”。
(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。
“嫦娥五号”从月面返回地面的轨迹示意图
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。
“跳跃式进入”模式示意(图片来源：新华社)
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。
“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”!
打水漂(图片来源：veer图库)
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。
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)和附体激波(右)
(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。
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。
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)
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。
(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。
“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.
作者单位：中国科学院力学研究所
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