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公元2020年12月17日,它將被載入人類史冊,因為重300多公斤的中國嫦娥5號返回艙帶著月球樣品安全返回預定著陸點,中國首次月球取樣成功了,標誌中國成為了世界上第3個獲得月球樣品的國家,值得國人慶祝。

我國來簡單還原一下嫦娥5號返回艙返回地面時驚險的過程,全程只有二十來分鐘,12月17日1時12分,距離地球約5000公里遠的軌返組合體實施分離,返回艙藉助著軌道器的慣性,以11.2公里/秒的第二宇宙速度衝向地球。

這個時候的返回艙就像是一顆超級炮彈,以一個特殊角度射進約130公里厚的大氣層,與大氣劇烈摩擦後燒成發光球體,藉助大氣浮力彈回太空,達到高點後又被地球引力拉了回來,二次進入大氣層,最後緩緩降落預定地點,就像“打水漂”一樣。

嫦娥5號這種返回方式被稱為高速半彈道跳躍式再入返回,它也是目前技術難度最高的一種返回方式,可能有人不禁要問,為什麼我國要舍易求難呢?為什麼日本隼鳥2號卻不用?先來了解一下航天器的幾種返回方式。

彈道式返回

彈道式返回軌道可以說是一錘子買賣,在釋放返回艙之前,外太空中的航天器要隔著數千公里距離瞄準地球落點,同時還必須考慮地球自轉和引力這兩大因素,相當於一名狙擊手在惡劣天氣中瞄準100米開外的目標一樣,要計算風速的影響。

一旦返回艙投放出去,那麼結果就已經成為定局了,無論是偏了還是中了,無法在中途無法對返回艙進行調整和控制,因為以這種方式返回的返回艙速度實在是太快了,很多時候都會出現偏離預定著陸點的情況,給地面回收團隊帶來麻煩。

半彈道式返回

半彈道式返回軌道也就是嫦娥5號當前所使用的返回方式,只要控制好角度,以足夠快速度進入大氣層,大氣阻力將返回艙給彈回來,就像我們用石頭打水漂一樣,只要入射角度和力度把握好,石頭可以在水面上連續跳躍好多次。

半彈道式返回軌道最大的優點是可以小範圍內調整返回艙落點,畢竟它的速度不快,缺點是飛行軌跡非常複雜,對航天技術要求很高。現在,蘇聯的聯盟號飛船就是採用這種方式返回地球。

滑翔式返回

滑翔式返回軌道方式針對那些有大型機翼的航天器,比如已經被美國和蘇聯拋棄的太空梭,還有正在打造之中的spaceX星際飛船,它們在大氣中飛行時,機翼不光是起到平衡的作用,更重要作用是產生升力,減慢下降速度。

滑翔式返回軌道方式最大的好處是能夠全程控制,精確返回地面,比如美國太空飛機多次用滑翔式返回軌道回到指定的飛機跑道上。

我國為何要舍易求難,讓返回艙以“打水漂”方式返回呢?

很明顯,嫦娥5號用滑翔式返回軌道方式是不可能的,那麼只有在“彈道式返回軌道”和“半彈道式返回軌道”兩種中選擇一種。

我們知道嫦娥5號返回艙攜帶了兩公斤珍貴的月球樣品,並且還處於密封狀態中,而嫦娥5號軌返組合體又以接近11.2公里/秒的第二宇宙速度進入大氣層,如果直接使用“彈道式返回軌道”,後果可能是一場太空災難

返回艙以更劇烈方式與大氣發生摩擦,可能會出現數萬攝氏度高溫,還沒等到落地就已經被燒化了,畢竟速度越快摩擦力就越強。

就算返回艙外層的耐高溫材料能經受得住考驗,在10公里高空開啟的降落傘能否託得住300多公斤物體這是個大問題,因為速度越大,動能就越大,存在拉斷降落傘繩、墜毀地面的風險。

所以,我國選擇了高速半彈道跳躍式再入返回方式,況且,我國在2014年就已經完全掌握了這一高難度的返回技術。

為何日本隼鳥2號不用半彈道式返回技術

2020年12月,在我國嫦娥5號返回艙著陸之前,日本隼鳥2號返回艙已經帶著小行星樣品安全返回了地面,但使用的是彈道式返回方式,可能有人很好奇,為何日本隼鳥2號不使用這一高難度的返回方式?原因有如下幾點。

一,隼鳥2號返回時與地球的接近速度只有4至5公里每秒,比嫦娥5號返回時的速度要慢得多,二,隼鳥2號返回艙重量只有16公斤,就算它速度再快,動能再大,相信降落傘也能將它托住,三,日本目前還不會使用這一高難度的返回方式,所以隼鳥2號小行星樣品沒有使用半彈道式返回方式。

結尾

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