嫦娥五號「打水漂」返回地球,驗證載人登月,阿波羅大多不敢玩

2020-12-17 老粥科普

萬眾矚目「打水漂」

嫦娥五號在億萬人的矚目中返回地球，在落地之前，它會在大氣層打個「水漂」。許多人產生疑問，為什麼太空飛行器不直接降落到地面，而偏要在大氣層上面跳幾下，如果不是「多此一舉」，難道這背後有什麼深意嗎？

嫦娥五號再入大氣層的彈道

有好事者說，這是在驗證「錢學森彈道」，為以後的軍事鬥爭作技術準備；還有人說這是嫦娥五號做高空機動，防止有國家攔截我們從月球帶回的寶貝。其實這些說法都不對，「打水漂」是嫦娥五號從月球返回時要驗證的一項的基本技能，以後會經常用，並且這項技能也不是嫦娥第一個用，當初美國阿波羅11號飛船就是碰巧打著水漂回到地球的。

阿波羅11號返回軌跡模擬圖

為什麼不直接降落？

你可能注意到了，嫦娥五號去月球的時候，它的著陸器是直接降落在月面上的，不需要「打水漂」，也沒法打，因為月球表面沒有空氣。另一個原因是，當嫦娥到達月球軌道時，它的速度已經很低了，月球的逃逸速度是2.38公裡/秒，超過這個速度飛船就飛走了。

但當嫦娥從月球回到地球就不一樣，在地球的強大引力下嫦娥會一路加速，在到達地球時它的速度會接近11.2公裡/秒（第二宇宙速度）。以這個速度闖入大氣層的後果是災難性的，如果是載人飛船，大概率船毀人亡。

返回角度不對會造成災難性後果

地球有厚厚的大氣層，在距離地面100公裡的高空儘管空氣極其稀薄，但對於高速飛行的太空飛行器來說它的作用已經不可忽視了。

空氣對於太空飛行器主要有兩方面的影響：一是阻力，你的速度越快，空氣阻力就越大，減速越快過載就越大；二是與空氣摩擦會產生熱，同樣也是速度越快發熱量越大。空氣阻力、發熱量與速度的平方成正比關係，所以我們一方面需要把速度降下來，同時避免船被燒毀，人還得活下來。

神舟十號返回，王亞平出艙

如何才能做到安全地減速呢？

有人說用火箭反推呀，這是個好主意，到達月球時就有個「剎車」動作，又叫近月制動。但問題是回地球時速度太快，剎車需要消耗大量燃料，無論是嫦娥五號還是之前的阿波羅飛船，它都沒有空間攜帶幾百上千噸燃料和強大的發動機，它還是需要依靠大氣層來減速。

科學家將飛船返回艙的底部做成一個圓球面的盾，上半部分向內收攏成為錐體或者鐘的形狀。底面是一種複雜的防熱結構，同時覆蓋了燒蝕材料。這些燒蝕材料在受熱時會燃燒，同時將熱量散發到空氣中。

阿波羅11號返回模擬圖

阿波羅的好「運氣」

在阿波羅11號飛船登月前，美國先是做了一系列的實驗，包括阿波羅4號和6號無人飛船高速返回模擬最壞的情況。其中阿波羅4號計劃用長而且平直的彈道，這樣不利於散熱但比較平穩；6號則以一個比較陡的角度衝入大氣層，它記錄的過載超過了太空人承受的極限。結果是阿波羅4號在大氣層中產生了一次「彈跳」，最後變成了「二次進入」。

「二次進入」並不是美國人的發明，早在1963年11月，英國的兩個科學家L.F. Crabtree和D.H. Peckham就提出用這種辦法使太空飛行器減速並且達到散熱的效果，同時太空人也能承受其過載。

通過調整下降攻角完成大氣層彈跳

從NASA後來公開的阿波羅飛行計劃數據看，阿波羅4號的打水漂並非有意為之，並且阿波羅11號同樣在大氣層「Duang」那麼一下也有運氣的成分（它的飛行計劃裡也只有一個過載峰值）。

阿波羅飛行計劃中沒有設計彈跳

阿波羅11號著陸前，預定著陸區天氣不好，休斯頓臨時決定改變返回艙的下降攻角，讓它落到更遠一些的備降著陸區。結果太空人出艙後告訴他們過載沒預想的大，感覺良好。儘管1968年NASA將這種降落方法描述為「大氣層中的跳躍」，但後來阿波羅飛船的飛行表明這只是個「意外」，因為除阿波羅17號有記錄到兩次加速度「波峰」外，其它飛船返回時並沒有試圖再主動「打水漂」。

阿波羅4號下降軌跡以及記錄的過載數據

NASA知道「打水漂」可以完美地解決減速與過載的矛盾，為什麼他們不主動去做呢？因為運氣只可能有一次，航天飛行是一門科學，你沒辦法次次去賭運氣，並且阿波羅11號的運氣實在是太多了，天知道下一次會怎麼樣？

阿波羅11號有太多的「好運氣」

為什麼嫦娥五號要做？

嫦娥五號返回器結構很簡單，它的使命很單一，就是攜帶月壤返回地球。這東西是摔不壞的，也不怕什麼過載，只要把防熱做到位直接返回就好了，為什麼中國科學家要「自找麻煩」選擇「打水漂」呢？

答案只有一個：嫦娥除了要將月壤帶回，還要驗證載人登月的整個過程，包括安全返回技術。

美國是首個將「打水漂」付諸實踐的國家，但直到2011年NASA才有人將其定義為「二次進入」，認為這是載人登月飛船最安全的返回方法。所有阿波羅報告中對大氣返回過程都語焉不詳，為什麼會這樣？因為它說起來容易，做起來實在太難了！

地球的大氣層極薄，入射角度要求極高

大氣層沒有明確的邊界，我們將100公裡高度定義為大氣邊緣，阿波羅4號和11號也是在這裡完成的彈跳，但如果你從整個地球的角度看大氣層，它就實在是太薄了。「打水漂」對太空飛行器的入射角度上下限要求極度嚴苛，太空飛行器的攻角往上偏一點點飛船就「彈」飛到太空再也回不來，往下一點點就是在賭太空人的命。在那個彈道計算機性能還不如今天計算器的年代，最明智的做法就是老老實實硬闖，讓太空人去承受長時間高過載的煎熬。

總有人把「我們落後不止50年」掛在嘴邊，他們看不到科技工作者的努力付出。早在2014年，嫦娥五號的先導型號「嫦娥五號-t1」實驗器就已經用「打水漂」的方式成功返回，我們有信心嫦娥五號也能準確落地，圓滿收官。

嫦娥五號-t1成功著陸

#嫦娥五號成功返回地球#

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