“嫦娥”怎樣才能回娘家？

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圖1？ 美麗的“嫦娥奔月”神話

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？？？ “嫦娥奔月”是在中國流傳了上千年的美麗神話，代表了人類飛往太空的一種夢想。咱們國家實施的“探月工程”邁開了中國人實現(xiàn)這一夢想的征程。

大家都知道，我國探月工程一共分為三期完成：一期是“繞”——繞月探測，二期是“落”——月面軟著陸和自動巡視勘測，三期是“回”——無人自動取樣返回。這些都是為載人探月任務(wù)鋪墊基石的。2007年10月24日，中國第一顆月球探測衛(wèi)星“嫦娥1號”成功進(jìn)入太空，進(jìn)行了“撞月”試驗?！版隙?號”則是進(jìn)行繞月飛行，它是“嫦娥3號”的先導(dǎo)星，在任務(wù)完成后并不返回而是飛向更深遠(yuǎn)的太空?！版隙?號”攜帶“玉兔號”月球車實現(xiàn)了落月計劃?！版隙?號”是“嫦娥3號”的備份星，由于“嫦娥3號”成功地完成了所有的使命，“嫦娥4號”就無需再發(fā)射了。現(xiàn)在我們進(jìn)入了探月三期的任務(wù)階段，它是以在月球表面自動采樣并返回地球為目標(biāo)的，將于2017年前后發(fā)射。與“嫦娥1號”、“嫦娥2號”和“嫦娥3號”相比，“嫦娥5號”的身體結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，包括軌道器、上升器、著陸器和返回器等部分，它們像“葫蘆”一樣串在一起共同組成，需要突破月面采樣、月面上升、月球軌道交會對接和高速返回等四大關(guān)鍵技術(shù)。為突破高速返回這個關(guān)鍵技術(shù)，必須先期進(jìn)行再入返回飛行試驗。飛行試驗器“嫦娥5號T1”只有服務(wù)艙和返回器兩個部分（但其中的返回器與“嫦娥5號”的基本一致），而且它不會走“嫦娥5號”要走的全程，只是重點考察從距地約38萬公里的月球返回地球這一段“回家”路該怎么走。

2014年10月24日凌晨2點，作為一個探路尖兵，再入返回飛行試驗器“嫦娥5號T1”在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心乘坐“長征3號丙”運載火箭發(fā)射升空（參見圖2），并準(zhǔn)確進(jìn)入近地點高度為209公里、遠(yuǎn)地點高度41.3萬公里的地月轉(zhuǎn)移軌道。除了起飛入軌以外，它還要經(jīng)歷地月轉(zhuǎn)移、月球近旁轉(zhuǎn)向、月地轉(zhuǎn)移、再入返回和著陸回收等五個階段（參見圖3）。2014年11月1日6時42分，“嫦娥5號T1”的返回器在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域順利著陸，整個飛行歷時8天。

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圖2？ “嫦娥5號T1”發(fā)射升空

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？ ？？圖3 “嫦娥5號T1”飛行試驗路線圖

有人要問：“嫦娥回家”路是真的有這么難嗎？我們的“神舟”飛船不是多次成功地返回了地面，2003年還實現(xiàn)了載人飛行與返回呀！原來，“神舟”是圍繞地球運轉(zhuǎn)的飛船，它返回地球的初速度大約等于第一宇宙速度（7.9公里/秒）；而“嫦娥”在完成繞月飛行后再進(jìn)入地球大氣層時，它的初速度就接近第二宇宙速度（11.2公里/秒）了。這里的第一和第二宇宙速度是從地球表面向宇宙空間發(fā)射人造地球衛(wèi)星（例如，我國研制發(fā)射的“神舟”飛船）和行星際飛行器（例如，這里談到的繞月飛行“嫦娥”飛船）所需要的最低速度。2014年10月期《力學(xué)園地》的“漫說萬有引力”一文中，談到了在地球上的任何物體都要受到地球的引力，這個引力的大小正比于地球和物體的質(zhì)量乘積、反比于地心和物體之間距離的平方。按照萬有引力定律和牛頓第二定律，就不難求算出來這兩個速度值。第一宇宙速度是人造衛(wèi)星圍繞地球表面做圓周運動時的速度，此時地球的引力恰好提供人造衛(wèi)星做圓周運動所需的向心力。換句話說，人造衛(wèi)星所以能夠維持在繞地軌道上運轉(zhuǎn)是因為它具有恰當(dāng)?shù)乃俣?，如若速度不夠大（小于第一宇宙速度），它就會在地球引力作用下落回地面；如若速度大于第一宇宙速度，人造衛(wèi)星的軌道不再是圓形而變?yōu)闄E圓形，速度越大軌道的橢率也越大；當(dāng)速度達(dá)到第二宇宙速度時，人造衛(wèi)星就會脫離地球的引力場。所以“嫦娥”要做繞月運動，它的速度要達(dá)到第二宇宙速度。這里，不妨順便告訴大家，對于航天而言，還有一個“第三宇宙速度”，這是航天飛行器脫離太陽引力場所需的最低速度。當(dāng)航天器具有這個速度時，它就可以脫離太陽系做恒星際的飛行了，力學(xué)家計算出它的大小為16.7公里/秒。

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圖4？ 航天飛行的特征速度

顯然，對于再入速度接近第二宇宙速度的“嫦娥”而言，如果不采取必要的減速措施，返回艙落地時速度會太大，可能造成艙體的損毀，不僅航天員受不了，就是無人采樣帶回的樣品也可能遭到破壞。這樣一來，“探月”的成果將蕩然無存。我們看到返回艙在快接近地面時打開降落傘，就是減小返回艙的落地速度的一個措施。但是如果再入速度太高，現(xiàn)有的降落傘就難以達(dá)到要求。而且，在一條較短的軌道上把速度從接近第二宇宙速度（大氣層邊緣處）降到零（地面處），最大過載會達(dá)到8-10倍重力加速度，如果載有航天員，人的身體便會受到很大的損傷。此外，力學(xué)知識告訴我們，飛行器在大氣中高速運動時，器壁與氣體之間會發(fā)生摩擦從而產(chǎn)生熱量，相對速度越大所產(chǎn)生的熱量就越多，飛行器表面的溫度就越高。大家看到“神舟”再入大氣層時像一團(tuán)火球下落就是這個原因，所以科學(xué)家要采取一系列“防熱措施”才能保證飛船再入期間不被燒壞。現(xiàn)在，“嫦娥”再入大氣層的速度比“神舟”的快得很多很多，如果沒有更好的措施，它就可能不能夠“全身”回娘家啦！圖5給出了“嫦娥5號T1” 服務(wù)艙與返回器分離（距地面約5000公里處）后回娘家的過程：返回器以接近第二宇宙速度（10.8公里/秒）進(jìn)入大氣層，實施初次氣動減速；返回器在距地面約120公里的大氣層邊緣處向上躍起，跳出大氣層；返回器到達(dá)跳出最高點后開始逐漸下降并再次進(jìn)入大氣層，實施二次氣動減速；在降至距地面大約10公里高度時，返回器降落傘順利開傘，在預(yù)定區(qū)域順利著陸?？傊教鞂＜业氖滓蝿?wù)是要千方百計地把返回艙的再入飛行速度減下來。

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圖5 “嫦娥5號T1”回地程序圖示

原來，“嫦娥”在返回地球過程中，要實施兩次氣動減速，在第一次進(jìn)入大氣層實現(xiàn)一定的減速以后要飛離大氣層，然后再第二次進(jìn)入大氣層，從而實現(xiàn)進(jìn)一步的減速。航天專家把這種返回地球的方式稱作“半彈道跳躍式再入”。有點繞口吧？讓我們慢慢來解釋，先從“彈道式”說起。大家都知道大炮發(fā)射的炮彈在空中劃出一道弧線，這里炮彈在炮膛中獲得一定的初速度射出后，只是在地球的引力和空氣的摩擦阻力作用下運動，根據(jù)牛頓定律不難算出它的運動軌跡（或者說“彈道”）是一條拋物線。對于從大氣層以外返回地球的再入飛行器，如果在再入過程中不利用升力，像遠(yuǎn)程導(dǎo)彈那樣只是受到地球引力和空氣摩擦力的作用，那么就是所謂的“彈道式再入”。航天飛行器再入大氣層則有彈道式、半彈道跳躍式、半彈道滑翔式和滑翔式等幾種方式，它們的區(qū)別主要在于利用升力的程度，相應(yīng)的返回飛行器分別具有零升阻比、小升阻比、中升阻比和大升阻比，這里所說的“升阻比”是指飛行器的升力和阻力之比。需要附加說明的是，有些采用“彈道式”再入的返回器可能會產(chǎn)生升力，但人們對于升力的大小與方向均不加以控制?！版隙?號”的返回艙是“球冠倒錐”形（參見圖6），它的頭部（“冠”）是個球面（在圖6中已壓在地上了），而后身是圓錐體。當(dāng)“嫦娥”在大氣中飛行時不僅會受到阻力，也會產(chǎn)生一定的升力，但它的形狀不是很好的流線型，所以升力不大，升阻比在0.1到0.5之間。不過有了這點升力，“嫦娥”在以大約第二宇宙速度第一次進(jìn)入大氣層受到空氣阻力而減速后，還可能依靠這個升力再爬升并“跳躍”出大氣層，然后以大約第一宇宙速度第二次進(jìn)入大氣層。所以，不難理解，為什么有人也把這種再入返回方式稱作“彈道-升力”式啦。航天專家把“半彈道跳躍式”再入形象地比喻為“打水漂”（嚴(yán)格地說，飛船是“打氣漂”?。?。不過，小孩子在河邊扔石頭、打水漂的游戲可是沒法和飛船“半彈道跳躍式”再入過程相比的：“嫦娥5號T1”打一個“氣漂”就跳躍了大約2萬公里！它首次再入大氣層的位置是在南大西洋上空，然后劃過印度洋的上空，飛躍4萬里的路程，才到達(dá)位于內(nèi)蒙古四子王旗的娘家。

圖6？ “嫦娥5號T1”返回艙順利著陸在內(nèi)蒙古的預(yù)定區(qū)域

不難理解，這一個“跳躍”動作是生死攸關(guān)的一跳！如果跳不起來，“嫦娥”就會一頭栽下摔個粉身碎骨；如果跳過了，“嫦娥”就會逃離大氣層，無法二次再入而在太空里游蕩，既回不了娘家也去不了夫家。這里，選定返回艙再入的位置和姿態(tài)是非常關(guān)鍵的。精確可靠地控制返回艙再入的位置和姿態(tài)，靠的是掌握高速再入導(dǎo)航制導(dǎo)與控制技術(shù)，但是氣動學(xué)家必須給出保證返回艙安全回地所需要的再入位置和姿態(tài)。再入點位置是由軌道決定的，而姿態(tài)的確定則要由所需的氣動升力來決定。在空氣動力學(xué)里，飛行器姿態(tài)可以用飛行攻角來表示，這里的攻角就是飛行器對稱軸線和速度方向之間的角度。圖7是科學(xué)家計算出的三種球冠倒錐形返回艙的升阻比L/D隨攻角 的變化情況，它們分別是俄羅斯的“聯(lián)盟”號、美國的“阿波羅”號和“雙子星座”號（參見圖8）。可以看出，“嫦娥”的外形和“聯(lián)盟”基本一樣。圖7的曲線告訴我們：返回器在零攻角飛行時沒有升力；在某些攻角范圍內(nèi)升力為負(fù)值，它就不能起到平衡地球引力的作用。因此，返回艙一般都是采用負(fù)攻角的配平姿態(tài)，使得升力為正值。有關(guān)的研究表明，小升阻比返回艙的形狀以球冠倒錐形為最優(yōu)，它們的最大過載和最高熱流也能滿足要求。所以，中國的“神舟”號和“嫦娥”號與俄羅斯的“聯(lián)盟”號、美國的“阿波羅”號和“雙子星座”號一樣，返回艙都選用這種形狀。

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圖7 小升阻比返回艙的升阻比曲線

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圖8 球冠倒錐形返回艙實例

盡管為了“嫦娥”的安全回家，我們的科學(xué)家已經(jīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的地面實驗、周密的計算機(jī)仿真推演，但是由于目前人們對地球大氣特性的認(rèn)識還不充分，對返回器高速返回條件下的氣動、熱防護(hù)、導(dǎo)航制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型的掌握還不完全，為確?！版隙?號”任務(wù)成功，必須把實驗室從地面搬到天上，通過真實飛行，獲取必要的試驗數(shù)據(jù)。這次飛行任務(wù)要驗證的6項關(guān)鍵技術(shù)是（參見圖9）：（1）驗證返回器氣動外形設(shè)計技術(shù)。利用飛行試驗獲取數(shù)據(jù)對返回器氣動設(shè)計的正確性進(jìn)行驗證，通過數(shù)據(jù)分析比對修正返回器氣動設(shè)計數(shù)據(jù)庫。（2）驗證返回器防熱技術(shù)。通過飛行過程中防熱結(jié)構(gòu)溫度變化歷程對防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行評估，提高熱分析的準(zhǔn)確性。測量返回器熱蝕情況。（3）驗證返回器“半彈道跳躍式”高速再入導(dǎo)航制導(dǎo)與控制系統(tǒng)技術(shù)。（4）驗證月地返回及再入返回地面測控支持能力。針對返回器高動態(tài)、散布范圍大、跟蹤捕獲難等特點，綜合開展總體設(shè)計、分析和試驗。（5）驗證返回器可靠著陸技術(shù)。利用返回器內(nèi)側(cè)、外側(cè)、遙測和氣象數(shù)據(jù)對返回器可靠著陸技術(shù)進(jìn)行驗證。（6）驗證返回器可靠回收技術(shù)。通過返回器搜索回收，驗證空地協(xié)同搜索回收工作方法，同時具備地面獨立搜索能力。

　

圖9 “嫦娥5號T1”飛行試驗的六項任務(wù)

首次再入返回飛行試驗的圓滿成功，標(biāo)志著我國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術(shù)，為確保“嫦娥5號”任務(wù)的順利實施和探月工程的持續(xù)推進(jìn)奠定了堅實基礎(chǔ)。

中國人在實現(xiàn)奔月夢想的征途上又邁出了一步！