嫦娥五號返回器的秘密:大氣層邊緣再次跳起,打著水漂回地球!

2021-01-17 科羅廖夫

12月17日凌晨,我國嫦娥五號月球探測返回器攜帶著2公斤月球樣品返回地區,並在內蒙古四子王旗預定區域成功著陸,圓滿地完成了我國首次月球採樣返回任務。標誌著我國首次地外天體採樣返回任務圓滿結束。

嫦娥五號返回地球的程序是:首先裝訂返回的彈道參數,相當於給一枚太空中的洲際飛彈輸入瞄準數據,然後軌道器與返回器在南大西洋海域上空5000公裡處正常解鎖分離,軌道器繼續繞地球飛行。返回器以彈道下落返回地球。在距離地面120公裡時以接近第二宇宙速度(11.2公裡/秒)高速進入地球大氣層,像一顆彈頭扎入大氣層,隨後進行初次氣動減速。

嫦娥五號下降至預定高度後,返回器調整姿態,在氣動作用下,再次向上躍出大氣層,到達最高點後開始滑行下降,之後返回器再次進入大氣層,實施二次氣動減速。在地面10000米上空打開降落傘,緩緩落地。

這是一種「半彈道跳躍式返回」技術,是比航天員返回還要複雜的技術。這種跳躍式半彈道返回技術,類似於我們小時候玩的「打水漂」,當返回器進入大氣層以後,在飛行時有一個向前的動量,同時還受重力的影響,返回器的遁形大底會向前下方壓迫空氣,這時候空氣會給返回器一個向後上方的反作用力,就能讓返回器向前上方彈起,飛出大氣層,然後再次進入大氣。

整個動作就像是「打水漂」。這種獨特的太空飛行器返回技術,主要原因是嫦娥5號以第二宇宙速度再入,速度太快,如果採用神州飛船那種普通彈道進入大氣層,結構和防熱系統的壓力太大,容易燒毀嫦娥5號的返回器。如果採用半彈道式的跳躍技術,能將返回器的速度由11.2公裡/秒的第二宇宙速度降至7.9公裡/秒的第一宇宙速度以下,經過一次彈跳,返回器的速度就會大幅降下來,再進入大氣層以後的過載就不會過大,溫度也不會過高。這樣返回器結構和防熱設計都得到緩解,也使航程和落點達到理想的結果。

嫦娥5號並不是第一個採用半彈道跳躍式返回技術的太空飛行器。早在1968年,蘇聯發射的月球探測器6號在完成繞月飛行後,就首次實現了跳躍式再入返回,隨後美國阿波羅飛船帶著航天員和樣品返回時,也採用了這種方式。

與直接彈道式返回技術相比,半彈道跳躍式返回技術比較複雜,涉及氣動外形、防熱材料、導航手段、降落傘、測控等大量環節。採用半彈道跳躍式再入方式,主要是為了將來進行載人深空探測任務做準備。嫦娥五號之所以要攻克「打水漂」的難題,就是為了兼顧長遠目標,為未來更複雜的深空探測返回積累經驗。

「打水漂」式的半彈道跳躍式再入技術,通常應用於先進彈道飛彈的突防技術。俄羅斯目前正在發展用於「亞爾斯」和「薩爾馬特」洲際彈道飛彈的機動突防戰鬥部。當飛彈重新進入大氣層後,再入飛行器(彈頭)以滑翔彈道從100~30千米以上的高空跳躍式地飛向目標。彈頭所具備的高速度、機動能力與非彈道軌道飛行相結合,將對飛彈防禦提出新的挑戰。

剛剛服役的RS-26先鋒高超音速武器,整套武器系統由YU71高超音速滑翔器和作為推進器的RS-19「三稜匕首」洲際飛彈組成,突防性能與中國的東風-17差不多。先鋒高超音速武器利用洲際飛彈作為載體,先將滑翔器戰鬥部射向1000公裡以上高度的彈道頂點,在然後釋放滑翔器,下降突破大氣層後,滑翔器在恰當的角度開始不斷進行水漂機動,這種彈道相比現有的彈道飛彈相比無法預測,更能夠突破反導系統的攔截。

有人認為這種打水漂就是傳說中的「錢學森-桑格爾彈道」。其實並不是。桑格彈道提出於上世紀30年代,桑格爾設想了一種由火箭推動的遠程轟炸機,它先爬升到上百公裡的臨界空間(沒有出大氣層)然後向下俯衝,由於上下方的稠密空氣形成的近似「水面」狀態,轟炸機能在平流層彈跳著前進到很遠的地方投彈,這就是著名的「桑格彈道」。其實桑格爾彈道並沒有考慮大氣層外的飛行。由於存在技術門檻,桑格的「水漂」轟炸機直到二戰結束後也沒搞出來。

這時,正在美國搞研究的科學家錢學森也提出了一種革新設想。錢學森提出製造一種火箭式飛機,先用火箭推送進入太空,然後再向下俯衝,到大氣層100公裡「卡門線」的下方進行滑翔前進,這樣飛機可以在消耗很少燃料的情況下,從美國紐約一直滑翔到歐洲的巴黎。錢學森的這個設想被後人稱為「錢學森彈道」。錢學森彈道主要是在大氣層邊緣滑行,桑格彈道更像是打水漂,但二者的速度都不高,「錢學森-桑格爾彈道」實際上是要研製一種高性能的飛機,並沒有考慮彈道飛彈或太空飛行器。

在新世紀,彈道和太空飛行器設計師借鑑「錢學森-桑格爾彈道」,開始對彈道飛彈和太空飛行器各種大氣層內外的機動彈道進行探索。我國很多遠程或洲際彈道飛彈的先進戰鬥部也都具有跳躍式飛彈突防能力,能夠有效增加突破敵人反導系統的概率。「跳躍式彈道」具有極高的高機動性,能夠在大氣層內和大氣層外連續彈跳,導致現有的反導技術很難兼顧大氣層外和大氣層內這兩種不同的反導方式,極大地增加敵方反導系統的難度。

在去年國慶70周年大閱兵上,我國首次公開亮相了東風-17高超音速武器系統,其彈體助推器是一枚中程彈道飛彈,戰鬥部是一個高超音速的「水漂彈」。相對於嫦娥5號返回器的跳躍式半彈道,東風-17的戰鬥部更厲害,靠自身的氣的外形產生的升力以及控制系統的聯合作用下,不僅能夠連續多次「打水漂」,而且能夠全程在大氣層內以高超音速連續「打水漂」,而嫦娥5號的返回器只是打了一次水漂。

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