出發容易回家難，嫦娥五號為什麼打個「水漂」才能到家？
嫦娥五號軌道器（黃色）攜帶返回器（白色）從月球返回，在地面5000公裡上空分離，返回器返回地球（模擬圖）。圖/航天科技集團八院
新京報訊（記者倪偉）12月17日凌晨，出發23天的嫦娥五號返回器著陸在內蒙古四子王旗著陸場，我國首次月球採樣任務獲得成功。
深夜蒼穹中，嫦娥五號的回家之路蘊含著重重威脅：返回器能否準確回到著陸區域上空？降落傘能否準時打開並切斷？在通信的「黑障區」，太空飛行器能否作出自主判斷？
最具不確定性的一環，是返回器將兩次進入大氣層，仿佛打了個水漂。這個「水漂」會不會讓它滑得太遠，以至於找不到家？
這個「水漂」學名是「半彈道跳躍式再入返回」，是比航天員返回還要複雜的技術。在嫦娥五號任務的尾聲，這場太空「水漂」貢獻了最後一幕驚險的表演。
地球家門難進
今天凌晨，在到達地球5000公裡之外時，嫦娥五號的「快遞小哥」軌道器與「月球快件」返回器分離，小小的返回器攜帶2千克月球樣品，獨自踏上回家路。
返回器以11.2公裡/秒的第二宇宙速度急速衝向地球，在距離地面120公裡高度，像一顆彈頭扎入大氣層。很快，藉助大氣層的升力，彈頭又躍了出來，回到太空。到達最高點之後，再次下降，二度進入大氣層。
一出一進，返回器慢了下來，從第二宇宙速度降到8公裡/秒左右的第一宇宙速度。接下來，它跟以前的神舟飛船返回艙一樣，一邊穿越大氣層一邊減速，在地面十公裡上空打開降落傘，緩緩墜地。
回收神舟飛船返回艙，四子王旗著陸場已經駕輕就熟，而這次回收，讓著陸場面臨新的難題。差別主要在於速度。
「神舟飛船從200公裡左右的近地軌道返回，嫦娥五號則是從38萬公裡之外的月球飛回，速度要快得多。」航天技術專家、空氣動力學家黃志澄告訴新京報記者，如果採用神舟飛船同樣的防熱技術和返回方式，一不小心，返回器可能會撞毀或者燒壞。
漫漫徵途，不能在家門口摔倒。
安全返回，一直是嫦娥五號任務的幾大難點之一。早在十年前嫦娥五號立項之初，航天專家就為此頭疼。中國探月工程副總設計師於登雲曾回憶，以王禮恆院士為代表的航天專家認為，嫦娥五號高速返回是我國首次嘗試，與任務成敗息息相關，如果不事先驗證，風險是巨大的。
為此，在嫦娥一號到五號探測器之外，嫦娥工程中增加了唯一一次試驗飛行任務，專門驗證嫦娥五號的返回方案。這就是2014年實施的探月三期再入返回飛行試驗器——「嫦娥-5T」任務。
「嫦娥-5T」當年沒有落月，在月球飛了幾圈之後便返回地球，重頭戲是在地球大氣層打個「水漂」，先降速再返回。
這種「半彈道跳躍式再入返回」技術方案，使結構和防熱系統的壓力都得到緩解，也使航程和落點達到理想的結果。這次，嫦娥五號返回器就是這麼回來的。
探月三期再入返回飛行試驗器返回過程和軌跡。圖/《中國科學》雜誌
「太空水漂」返回術
從月球高速返回，人類並沒有多少可選的路徑。要麼「硬衝」，也就是彈道式再入；要麼藉助大氣層摩擦力緩衝，先減一次速，也就是半彈道跳躍式再入。
蘇聯於1968年發射的探測器6號完成繞月飛行後，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，也採用這種方式。而蘇聯的「月球」系列、美國的「星塵」和「起源」，以及日本的「隼鳥」等無人深空探測器，採用了較簡單的彈道式再入方式，也就是直接返回。
兩種方式各有優劣。採用彈道式直接再入的返回艙，無法進行姿態和軌道的調節，對軌道設計、分離釋放和落點預報能力要求很高；而半彈道跳躍式的返回艙比較靈活，但系統配置和制導控制方案更為複雜，質量也要大得多。
從全球來看，無人採樣返回任務中兩種方式都採用過，載人深空探測任務則採用半彈道跳躍式再入方式。
解決完返回方式的問題，嫦娥五號還需要應對一個致命的威脅——高溫。
黃志澄告訴新京報記者，防熱是這次返回中嫦娥五號面對的大難題。由於返回速度過高，若防熱技術不過關，有可能在大氣層高速摩擦中燒毀。另外，跳躍式再入方式使得防熱結構表面經歷高溫、低溫、再次高溫的歷程,熱衝擊有可能導致防熱層表面開裂。
防熱設計有兩個重要的目標：降低熱流密度和總加熱量。熱流密度過大，可能燒穿返回器頭部和一些部位。熱流密度與半徑的開方值成反比，也就是說，物體越小熱流密度越大。此次嫦娥五號返回器比神舟返回艙小得多，只有後者的七分之一，降低熱流密度難度陡增。而總加熱量越大，防熱系統就要設計得越厚、越重，為了給太空飛行器減重，必須控制總加熱量。
「另外，再入軌道和防熱系統的設計，還要儘可能降低過載和提高落點精度。」黃志澄說。過載就是加速度，過載如果太大，不僅航天員的身體受不了，月壤在返回器內也可能受到影響。
嫦娥五號返回器再入大氣層（模擬圖）。圖/航天科技集團八院
為載人登月練功夫
黃志澄認為，嫦娥五號之所以要攻克「打水漂」的難題，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。「未來如果從火星等更遠的星球採樣返回，速度會更快，我們積累了多種返回技術，可以讓未來有更多選擇。」
此次嫦娥五號的任務，主要是完成月球採樣返回。但其蘊含的多項技術創新，有著提前探路的考慮。比如，月球軌道上的交會對接，很可能就是載人登月交會對接的雛形。據官方介紹，嫦娥五號三大工程目標之一，就是為載人登月和深空探測奠定一定的人才、技術和物質基礎。
於登雲說，中國通過這次無人採樣返回兼顧了兩件事，這是中國方案最大的亮點。
嫦娥五號的返回，建立在我國近50年的太空飛行器返回基礎之上。中國最早的太空飛行器返回始於上世紀60年代末的探空火箭，後來經歷返回式衛星、飛船返回艙，技術一步步成熟。
未來，中國還將面臨更複雜的返回任務。嫦娥一號衛星總設計師葉培建、嫦娥五號探測器總設計師楊孟飛等人曾在論文中提出，火星巡視探測、有大氣天體的進入探測乃至載人登月等，都將面臨進入和再入的難題。在深空探測再入返回和有大氣天體進入技術方面,我國還應繼續深入開展研究，包括氣動外形、防熱材料、導航手段、降落傘、測控等環節。
「月球很特殊，表面沒有大氣，因此不存在進入的問題。但是未來探測器如果要進入有大氣的星球，比如火星，在著陸時就會面臨同樣的考驗。」黃志澄說，嫦娥五號的探索，讓我們手握更多打開深空之門的鑰匙。
新京報記者倪偉
編輯陳思校對李立軍