2020年12月19日，我們期待已久的嫦娥五號返回艙終於迎來了「開箱」，測量稱重後初步測算此次任務共採集月球樣品大約為1731克，自此月球樣品開始轉入科學研究階段，我國也成為了世界上第三個成功挖取月壤並且帶回地球的國家，這也讓我國掌握了月地返回的關鍵技術，為將來更加複雜的載人登月奠定了堅實的基礎。
月球樣品稱重
嫦娥五號在等待返回地面前，由於窗口期間隔時間較長，因此軌返組合體在太空停留了數日，嫦娥五號返回器返回地球過程中攜帶月壤以接近第二宇宙速度再入大氣層，這個過程會使返回器表面溫度驟升至數千度，如果控制不好很有可能會使返回器燃燒殆盡，致使珍貴的月壤樣品燒毀。
返回器再入大氣層
有人會因此提出質疑，為何太空飛行器伴隨火箭升空時不會與大氣摩擦產生超高溫度，外表安然無恙，反而返回器在返回地球再入大氣層時會形成「火球」現象呢？
其實人類將太空飛行器送入太空是從火箭誕生才慢慢開始的，隨著空間技術的不斷發展，大推力火箭和更大重量的太空飛行器深空試驗也正按計劃進行，由於嫦娥五號總重量達到了8.2噸，因此負責此次發射任務的重任就落到了長徵五號身上，這也是長徵五號自投入運營以來的第二次應用性發射。
嫦娥五號登月
當大推力火箭點火升空時需要克服地球引力，加上濃密大氣層的摩擦作用，火箭上升時的最大速度一般不會超過3公裡每秒，這個速度並不會引起強烈的氣動加熱效應，而大氣層內絕大多數氣體都集中在兩萬米高空以下，越往上空氣越稀薄，到了100公裡「卡門線」高度時，也就是太空分界線，想要擺脫地球引力火箭就會加速到第一宇宙速度，此時火箭也已經基本飛出了大氣層，因此並不會發生燃燒效果。
長徵五號上升
反觀月球探測器返回地球時，由於地月間距離太遠，返回器會近乎自由落體一樣飛向地球，最終會以接近第二宇宙速度再入大氣層，也就是接近11.2公裡每秒，這個速度下返回器與大氣層不僅僅是摩擦生熱，更多的是氣動加熱效應。
返回器再入大氣層
返回器在大氣層內加速的過程中，高速飛行的返回器底端會與空氣產生強烈壓縮，與返回器底端接觸的空氣會形成一個傘狀的激波錐，激波錐會將太空飛行器與前端空氣分隔開一定距離，由於氣體的壓強、體積、密度之間的物理特性，激波錐會與前端空氣壓縮、摩擦產生氣動加熱效應，這個溫度會伴隨著速度的增加而急速升高，溫度甚至會達到數千度，因此就會燃燒，產生「火球」效果。
氣動加熱產生高溫
為了讓激波錐鋒面遠離返回器，因此返回器一般設計成鈍形，這樣即使返回器大底前端溫度達到了五六千度，而返回器的溫度也基本不會超過三千度，即使這樣為了保護太空飛行器安全也必須採用超強的耐熱材料，儘量增加散熱時間，因此我國科研人員採用了全新的第二宇宙速度半彈道跳躍式載入返回技術。
嫦娥五號返回艙著陸
在地球上空100公裡「卡門線」以下，隨著高度的降低，大氣層密度也會隨之升高，如果返回器經過特殊設計就會產生一定升力，比如太空梭機翼。但是嫦娥五號返回艙是錐形的，想要獲得升力就必須讓返回艙重心偏移一些，讓返回艙與氣流間形成一個攻角，讓更多的氣流向下推，這樣返回艙就會獲得一個向上的升力。
返回艙與氣流產生攻擊形成升力
返回艙採用倒錐體還有一個好處就是升阻比較高，倒錐體受力面積較大，這樣能夠將更多的氣流向下推，獲得的升力也就越多，當返回艙距離地面60公裡高度時，此時的升力就會超過返回艙自身重力，這樣返回艙會基於升力的作用被再次抬起至亞軌道空間，滑行一段距離後會再次返回稠密大氣層，就像「打水漂」一樣。值得一提的是當返回艙第一次再入大氣層時必須控制好攻角，否則將會失控墜毀。
返回艙再入大氣層軌跡
其實在嫦娥五號之前，我國早在2014年就研製了嫦娥五號的「探路者」—嫦娥五號T1試驗器，並且成功進行了跳躍式再入試驗。T1試驗器也採用了一種全新的「迎風面」設計，在返回艙的「迎風面」和「背風面」分別採用了7種不同的材料，由於迎風面經受的氣動加熱效應較強，材料耐熱性和厚度也會相應提高，反之背風面就會隨之減弱，這樣做的目的不但提升了返回艙的耐熱性，而且還減輕了返回艙的重量，我國此次前往月球「挖土」的嫦娥五號幾乎繼承了T1試驗器的全部特徵，因此也為嫦娥五號攜帶珍貴的月壤樣品成功返回地球奠定了堅實的基礎。
嫦娥五號T1試驗器
特別聲明：以上內容(如有圖片或視頻亦包括在內)為自媒體平臺「網易號」用戶上傳並發布，本平臺僅提供信息存儲服務。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.