“嫦娥”怎样才能回娘家？

木白

图1？ 美丽的“嫦娥奔月”神话

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？？？ “嫦娥奔月”是在中国流传了上千年的美丽神话，代表了人类飞往太空的一种梦想。咱们国家实施的“探月工程”迈开了中国人实现这一梦想的征程。

大家都知道，我国探月工程一共分为三期完成：一期是“绕”——绕月探测，二期是“落”——月面软着陆和自动巡视勘测，三期是“回”——无人自动取样返回。这些都是为载人探月任务铺垫基石的。2007年10月24日，中国第一颗月球探测卫星“嫦娥1号”成功进入太空，进行了“撞月”试验。“嫦娥2号”则是进行绕月飞行，它是“嫦娥3号”的先导星，在任务完成后并不返回而是飞向更深远的太空。“嫦娥3号”携带“玉兔号”月球车实现了落月计划。“嫦娥4号”是“嫦娥3号”的备份星，由于“嫦娥3号”成功地完成了所有的使命，“嫦娥4号”就无需再发射了。现在我们进入了探月三期的任务阶段，它是以在月球表面自动采样并返回地球为目标的，将于2017年前后发射。与“嫦娥1号”、“嫦娥2号”和“嫦娥3号”相比，“嫦娥5号”的身体结构要复杂得多，包括轨道器、上升器、着陆器和返回器等部分，它们像“葫芦”一样串在一起共同组成，需要突破月面采样、月面上升、月球轨道交会对接和高速返回等四大关键技术。为突破高速返回这个关键技术，必须先期进行再入返回飞行试验。飞行试验器“嫦娥5号T1”只有服务舱和返回器两个部分（但其中的返回器与“嫦娥5号”的基本一致），而且它不会走“嫦娥5号”要走的全程，只是重点考察从距地约38万公里的月球返回地球这一段“回家”路该怎么走。

2014年10月24日凌晨2点，作为一个探路尖兵，再入返回飞行试验器“嫦娥5号T1”在西昌卫星发射中心乘坐“长征3号丙”运载火箭发射升空（参见图2），并准确进入近地点高度为209公里、远地点高度41.3万公里的地月转移轨道。除了起飞入轨以外，它还要经历地月转移、月球近旁转向、月地转移、再入返回和着陆回收等五个阶段（参见图3）。2014年11月1日6时42分，“嫦娥5号T1”的返回器在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆，整个飞行历时8天。

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图2？ “嫦娥5号T1”发射升空

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？ ？？图3 “嫦娥5号T1”飞行试验路线图

有人要问：“嫦娥回家”路是真的有这么难吗？我们的“神舟”飞船不是多次成功地返回了地面，2003年还实现了载人飞行与返回呀！原来，“神舟”是围绕地球运转的飞船，它返回地球的初速度大约等于第一宇宙速度（7.9公里/秒）；而“嫦娥”在完成绕月飞行后再进入地球大气层时，它的初速度就接近第二宇宙速度（11.2公里/秒）了。这里的第一和第二宇宙速度是从地球表面向宇宙空间发射人造地球卫星（例如，我国研制发射的“神舟”飞船）和行星际飞行器（例如，这里谈到的绕月飞行“嫦娥”飞船）所需要的最低速度。2014年10月期《力学园地》的“漫说万有引力”一文中，谈到了在地球上的任何物体都要受到地球的引力，这个引力的大小正比于地球和物体的质量乘积、反比于地心和物体之间距离的平方。按照万有引力定律和牛顿第二定律，就不难求算出来这两个速度值。第一宇宙速度是人造卫星围绕地球表面做圆周运动时的速度，此时地球的引力恰好提供人造卫星做圆周运动所需的向心力。换句话说，人造卫星所以能够维持在绕地轨道上运转是因为它具有恰当的速度，如若速度不够大（小于第一宇宙速度），它就会在地球引力作用下落回地面；如若速度大于第一宇宙速度，人造卫星的轨道不再是圆形而变为椭圆形，速度越大轨道的椭率也越大；当速度达到第二宇宙速度时，人造卫星就会脱离地球的引力场。所以“嫦娥”要做绕月运动，它的速度要达到第二宇宙速度。这里，不妨顺便告诉大家，对于航天而言，还有一个“第三宇宙速度”，这是航天飞行器脱离太阳引力场所需的最低速度。当航天器具有这个速度时，它就可以脱离太阳系做恒星际的飞行了，力学家计算出它的大小为16.7公里/秒。

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图4？ 航天飞行的特征速度

显然，对于再入速度接近第二宇宙速度的“嫦娥”而言，如果不采取必要的减速措施，返回舱落地时速度会太大，可能造成舱体的损毁，不仅航天员受不了，就是无人采样带回的样品也可能遭到破坏。这样一来，“探月”的成果将荡然无存。我们看到返回舱在快接近地面时打开降落伞，就是减小返回舱的落地速度的一个措施。但是如果再入速度太高，现有的降落伞就难以达到要求。而且，在一条较短的轨道上把速度从接近第二宇宙速度（大气层边缘处）降到零（地面处），最大过载会达到8-10倍重力加速度，如果载有航天员，人的身体便会受到很大的损伤。此外，力学知识告诉我们，飞行器在大气中高速运动时，器壁与气体之间会发生摩擦从而产生热量，相对速度越大所产生的热量就越多，飞行器表面的温度就越高。大家看到“神舟”再入大气层时像一团火球下落就是这个原因，所以科学家要采取一系列“防热措施”才能保证飞船再入期间不被烧坏。现在，“嫦娥”再入大气层的速度比“神舟”的快得很多很多，如果没有更好的措施，它就可能不能够“全身”回娘家啦！图5给出了“嫦娥5号T1” 服务舱与返回器分离（距地面约5000公里处）后回娘家的过程：返回器以接近第二宇宙速度（10.8公里/秒）进入大气层，实施初次气动减速；返回器在距地面约120公里的大气层边缘处向上跃起，跳出大气层；返回器到达跳出最高点后开始逐渐下降并再次进入大气层，实施二次气动减速；在降至距地面大约10公里高度时，返回器降落伞顺利开伞，在预定区域顺利着陆。总之，航天专家的首要任务是要千方百计地把返回舱的再入飞行速度减下来。

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图5 “嫦娥5号T1”回地程序图示

原来，“嫦娥”在返回地球过程中，要实施两次气动减速，在第一次进入大气层实现一定的减速以后要飞离大气层，然后再第二次进入大气层，从而实现进一步的减速。航天专家把这种返回地球的方式称作“半弹道跳跃式再入”。有点绕口吧？让我们慢慢来解释，先从“弹道式”说起。大家都知道大炮发射的炮弹在空中划出一道弧线，这里炮弹在炮膛中获得一定的初速度射出后，只是在地球的引力和空气的摩擦阻力作用下运动，根据牛顿定律不难算出它的运动轨迹（或者说“弹道”）是一条抛物线。对于从大气层以外返回地球的再入飞行器，如果在再入过程中不利用升力，像远程导弹那样只是受到地球引力和空气摩擦力的作用，那么就是所谓的“弹道式再入”。航天飞行器再入大气层则有弹道式、半弹道跳跃式、半弹道滑翔式和滑翔式等几种方式，它们的区别主要在于利用升力的程度，相应的返回飞行器分别具有零升阻比、小升阻比、中升阻比和大升阻比，这里所说的“升阻比”是指飞行器的升力和阻力之比。需要附加说明的是，有些采用“弹道式”再入的返回器可能会产生升力，但人们对于升力的大小与方向均不加以控制。“嫦娥5号”的返回舱是“球冠倒锥”形（参见图6），它的头部（“冠”）是个球面（在图6中已压在地上了），而后身是圆锥体。当“嫦娥”在大气中飞行时不仅会受到阻力，也会产生一定的升力，但它的形状不是很好的流线型，所以升力不大，升阻比在0.1到0.5之间。不过有了这点升力，“嫦娥”在以大约第二宇宙速度第一次进入大气层受到空气阻力而减速后，还可能依靠这个升力再爬升并“跳跃”出大气层，然后以大约第一宇宙速度第二次进入大气层。所以，不难理解，为什么有人也把这种再入返回方式称作“弹道-升力”式啦。航天专家把“半弹道跳跃式”再入形象地比喻为“打水漂”（严格地说，飞船是“打气漂”！）。不过，小孩子在河边扔石头、打水漂的游戏可是没法和飞船“半弹道跳跃式”再入过程相比的：“嫦娥5号T1”打一个“气漂”就跳跃了大约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。

图6？ “嫦娥5号T1”返回舱顺利着陆在内蒙古的预定区域

不难理解，这一个“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，无法二次再入而在太空里游荡，既回不了娘家也去不了夫家。这里，选定返回舱再入的位置和姿态是非常关键的。精确可靠地控制返回舱再入的位置和姿态，靠的是掌握高速再入导航制导与控制技术，但是气动学家必须给出保证返回舱安全回地所需要的再入位置和姿态。再入点位置是由轨道决定的，而姿态的确定则要由所需的气动升力来决定。在空气动力学里，飞行器姿态可以用飞行攻角来表示，这里的攻角就是飞行器对称轴线和速度方向之间的角度。图7是科学家计算出的三种球冠倒锥形返回舱的升阻比L/D随攻角 的变化情况，它们分别是俄罗斯的“联盟”号、美国的“阿波罗”号和“双子星座”号（参见图8）。可以看出，“嫦娥”的外形和“联盟”基本一样。图7的曲线告诉我们：返回器在零攻角飞行时没有升力；在某些攻角范围内升力为负值，它就不能起到平衡地球引力的作用。因此，返回舱一般都是采用负攻角的配平姿态，使得升力为正值。有关的研究表明，小升阻比返回舱的形状以球冠倒锥形为最优，它们的最大过载和最高热流也能满足要求。所以，中国的“神舟”号和“嫦娥”号与俄罗斯的“联盟”号、美国的“阿波罗”号和“双子星座”号一样，返回舱都选用这种形状。

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图7 小升阻比返回舱的升阻比曲线

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图8 球冠倒锥形返回舱实例

尽管为了“嫦娥”的安全回家，我们的科学家已经进行了系统的地面实验、周密的计算机仿真推演，但是由于目前人们对地球大气特性的认识还不充分，对返回器高速返回条件下的气动、热防护、导航制导与控制系统的物理模型和数学模型的掌握还不完全，为确保“嫦娥5号”任务成功，必须把实验室从地面搬到天上，通过真实飞行，获取必要的试验数据。这次飞行任务要验证的6项关键技术是（参见图9）：（1）验证返回器气动外形设计技术。利用飞行试验获取数据对返回器气动设计的正确性进行验证，通过数据分析比对修正返回器气动设计数据库。（2）验证返回器防热技术。通过飞行过程中防热结构温度变化历程对防热结构设计进行评估，提高热分析的准确性。测量返回器热蚀情况。（3）验证返回器“半弹道跳跃式”高速再入导航制导与控制系统技术。（4）验证月地返回及再入返回地面测控支持能力。针对返回器高动态、散布范围大、跟踪捕获难等特点，综合开展总体设计、分析和试验。（5）验证返回器可靠着陆技术。利用返回器内侧、外侧、遥测和气象数据对返回器可靠着陆技术进行验证。（6）验证返回器可靠回收技术。通过返回器搜索回收，验证空地协同搜索回收工作方法，同时具备地面独立搜索能力。

　

图9 “嫦娥5号T1”飞行试验的六项任务

首次再入返回飞行试验的圆满成功，标志着我国已全面突破和掌握航天器以接近第二宇宙速度的高速再入返回技术，为确保“嫦娥5号”任务的顺利实施和探月工程的持续推进奠定了坚实基础。

中国人在实现奔月梦想的征途上又迈出了一步！