超高空的“舞蹈”

嫦娥五號在億萬國人的矚目中，表演了一次高難度的“雜技”跳躍，最後準確著陸在四子王旗的預定著陸點。結果讓人興奮，但整個過程著實讓人捏了一把汗。

嫦娥五號返回軌跡演示圖

有朋友可能就會問了，航天器在高空“打水漂”，跳躍式返回地球，最早是誰想到的？

說起航天器“打水漂”的歷史，最早可以追溯到五十多年前。一回到那個年代，大家可能首先會想到美國的阿波羅。

不過，有網友說美國阿波羅是第一個實現“打水漂”的航天器，就想簡單說明一下。

最早採用“打水漂”方式返回地球的航天器，其實是前蘇聯於1968年11月發射的“探測器-6”。

阿波羅4號再入軌跡以及過載資料

上圖是網友分享的照片。左邊是阿波羅4號再入地球的返回軌跡，仔細觀察，是不是有點“打水漂”的意思？

阿波羅4號返回時間是1967年11月9日，比蘇聯的“探測器-6”稍早些，再入地球時出現類似“打水漂”的軌跡，是不是說阿波羅是首先實現“打水漂”的航天器？

不是這樣。據說阿波羅4號當時嘗試用長且平直的彈道再入，整個過程中，“碰巧”出現了小幅度跳躍，並非有意為之。美國真正採用“打水漂”返回方式的，是阿波羅11號，後面會再介紹。

那麼，當時蘇聯專家為什麼要採取這樣的返回方式呢？

沒“打水漂”的後果很嚴重

很多朋友都清楚，如果沒有美國的“阿波羅”計劃，蘇聯絕對算得上是一個超級航天大國。

在太空探索方面，蘇聯航天完成了多個人類首次。

第一個掌握航天器再入返回技術，第一個實現深空無人自動取樣返回等等。

在1967-1970年期間，蘇聯先後發射了“探測器”系列的4~8號，對月球實施繞飛試驗。

蘇聯探測器-5示意圖

1968年9月，“探測器-5”成功實現了人類探測器首次繞月飛行之後，計劃返回地球。

此前沒有相關經驗，“探測器-5”採用了比較簡單的彈道式直接再入方式。

什麼是彈道式再入方式？

說通俗點，就是直接從高空砸下來，不加任何升力控制，進入大氣層後只受空氣阻力作用，不會半路上跳起來。

彈道式直接再入，溫度以及過載都超過載人標準

“探測器-5”返回艙以接近11km/s的第二宇宙速度進入大氣層，再入角度－5°～－6°，下降軌跡呈現一條非常陡峭的拋物線，在距離地面7km的高度降落傘開啟，12分鐘後濺落在印度洋。

“探測器-5”的返回算是基本成功，但資料表明，“探測器-5”的過載峰值達到16g，已大大超過航天員所能承受的極限。

外防護層的溫度更是一度達到驚人的13000℃！

落點偏差也比較高，超過1000km。

這種返回方式顯然不適合載人飛行。按當時的測算，如果以這種方式返回，返回艙的落點也不好控制，很難在蘇聯本土實現著陸回收。

“打水漂”出現後，情況大為改觀

此後，蘇聯科學家經過大量研究，嘗試透過改變返回艙的氣動結構，來延長返回艙在大氣層中的滑行距離，解決速度過高的大難題。

這就有了所謂的“半彈道的跳躍式”再入方式，也就是我們俗稱的“打水漂”。

探測器-6返回艙“打水漂”

“探測器-6”返回艙，外形採用了特殊的氣動結構，類似上圖中的球錐體形狀，這種形狀具有很好的氣動升力特性，讓返回艙能在大氣層中“跳躍”。

探測器-6返回軌跡示意圖

事實證明，“探測器-6”的“打水漂”是非常成功的。

“探測器-6”返回艙首次再入速度為11km/s，再入角度－5°～－6°，與“探測器-5”類似。

不過，由於增加了上升氣動結構，在下降至50~60km高度時，產生的升力讓其重新飛出大氣層。

在大氣層外經過一段彈道飛行後，二次再入時速度已降低到7.6km/s，最後成功著陸。

整個下降過程中，過載峰值已從“探測器-5”的16g降低到7g，能滿足載人航天的需求。落點精度也更高了，大概能約束在±300～±400km的範圍。

蘇聯“探測器-6”，首次開闢了航天器深空高速再入返回的新途徑，具有里程碑式的意義。隨後的載人航天器，也開始採用類似的返回策略。

阿波羅載人返回指令艙

隨後的阿波羅11號，正是受“探測器-6”的影響，才開始正式採用“半彈道跳躍式”再入方式。

當然，隨著研究深入，“打水漂”也衍生出一些不同版本。

比如，跳躍式返回，也分穿出和不穿出大氣層，兩者在航程控制上，也有差別，這裡就不作深入探討。

嫦娥五號的“打水漂”有何不同

那麼，我們“打水漂”返回的嫦娥五號，有什麼不同？

嫦娥五號T1試驗器的返回艙與軌道器

從圖中可以看到，嫦娥五號返回艙的外觀，並不是球錐形，而更像是一口鐘。在鐘形的頂部，還有兩片豎起的穩定翼。

為什麼要設計成這種形狀？

專業術語叫做確保唯一“穩定配平點”。

具體原理我們不去糾結了，簡單說，就是採用這種氣動結構，可以幫助返回艙在劇烈動盪中，更容易保持預設的降落姿態，這也是中國航天專家經過大量研究試驗的結果。

嫦娥五號返回艙

此外，在上圖中我們還能看到返回艙表面分佈著一些小洞，這是用於姿態控制的發動機。

返回艙發動機噴口

這些發動機可以輔助返回艙進行再入姿態調整，確保著陸精度。

此外，當返回艙準備再入時，能否在預定再入點準確再入，以及能否維持準確再入角度，都非常關鍵，說“差之毫釐，謬以千里”一點不為過。此時，就對地面的導航控制系統有很高的要求。

總結

相比過往那些“打水漂”的航天器，嫦娥五號返回之所以能“十環”高精度命中著陸瞄準點，與嫦娥五號獨特的氣動結構設計有很大關係，也離不開中國航天制導與導航控制系統的精準指揮。

嫦娥五號總體主任設計師表示，嫦娥五號整個再入過程環環相扣，雖然只有短短十幾分鐘的旅行，卻凝結了設計師們無數的心血。

自1976年前蘇聯月球探測器-24號以來，四十多年間，只有嫦娥五號同時圓滿完成了“繞、落、回”月球任務。創造了中國航天史上的多個首次，在世界航天領域也有很大的突破，是歷史性的里程碑。