有趣的打水漂

許多人都喜歡打水漂，它的玩法很簡單：在河、湖或是水塘旁邊，隨手撿一塊扁平的鵝卵石，將它用力向水面，只要方法得當，石頭就會在水面彈跳著向前飛行。如果你技術夠好，它能連續彈跳十幾下才沉入水中，很好玩！

玩過打水漂嗎？

要想將水漂打得遠是需要些技巧的：你得選擇扁平一些的石片，抓緊它，放低姿態像扔鐵餅一樣將它平著扔出去，石片出手的瞬間你需要讓它水平旋轉起來，當然水面最好不要有大的波浪。

打水漂的手法技巧

石頭為什麼能在水面彈跳？因為水比空氣的密度大，石頭在飛行時有一個向前的動量，同時受重力的影響，石頭會向前下方壓迫水面，這時候水面會給石片一個向後上方的反作用力，石片向前上方彈起進入下一個迴圈，直到動量減小最後沉入水中。

旋轉的石片飛得更遠，這是因為旋轉的角動量使石片保持一個相對穩定的攻角，它不會在水面翻滾，會總是以底部平面接觸水面，因此更容易彈跳起來。

石片接觸水面時的角度

錢學森彈道和桑格彈道

科學總是有許多相通的地方，孩子們喜歡的一個遊戲，到了科學家的腦子裡往往會變得高大上起來。桑格就是這樣一位科學家。

歐根·桑格出生於奧匈帝國，1936年時在德國負責火箭研發。他設想了一種由火箭推動的轟炸機，它先爬升到上百公里的臨界空間（沒有出大氣層）然後向下俯衝，由於下方稠密空氣形成“水面”，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”。

桑格的“水漂”轟炸機直到二戰結束後也沒搞出來，而就在桑格終於放棄造武器去轟炸美國的時候，正在美國搞研究的科學家錢學森也提出了類似的設想。

錢學森正在講解“錢學森彈道”

錢學森提出製造一種飛機，它先由火箭推送到大氣層100公里“卡門線”的上方進入太空，然後再向下俯衝，這樣飛機可以在消耗很少燃料的情況下從美國紐約滑翔到歐洲的巴黎。錢學森的這個設想被後人稱為“錢學森彈道”。

你也許注意到了，錢學森彈道與桑格彈道很像，但二者的高度不同。錢學森彈道是要先飛出大氣層然後在地球引力的作用下在臨界空間的稀薄空氣中滑翔，它是一種滑翔彈道；桑格彈道不出大氣層，它是在平流層稠密空氣的上方彈跳，因此桑格彈道更像是“打水漂”。另一個區別：桑格彈道的設計初衷是製造超遠端高空轟炸機，錢學森是愛好和平的人，他設想的是製造跨洲際民用飛機。

東風17，它採用超高速滑翔機動彈道

當然，今天的軍事科學家利用這兩種彈道製造高超聲速巡航導彈，這是後話了。

嫦娥五號用的什麼彈道？

與其它大多數返回式飛行器不同，嫦娥五號是從月球飛回來，它的速度更快。

普通的繞地衛星軌道速度大約在7.9千米/秒，這是第一宇宙速度，又叫地球環繞速度。達到這個飛行速度的航天器可以長時間地在幾百公里高空繞著地球飛，不需要一直開著發動機。但由於萬有引力的作用，它也逃不出地球的束縛，飛不遠。

要想飛去月球，你需要更快的速度：接近（但不達到）11.2千米/秒，也就是第二宇宙速度。同樣地，因為動量守恆，我們從月球回來時，航天器的飛行速度也會保持差不多11.2千米/秒。

嫦娥五號迴歸

這個速度非常快，我們知道地球表面有著厚厚的大氣層，你以極高的速度進入大氣層時會產生兩個副作用：一是劇烈的空氣摩擦產生高溫，會把飛船燒燬；二是由於減速太快，它會產生極大的過載，宇航員吃不消，飛船裡的電子裝置也可能受不了。怎麼辦呢？我們要想辦法讓它減速，同時要克服這些副作用。

航天器再入大氣層會產生高溫和過載

你可能會說，用火箭發動機反推，在接近地球時先把速度降下來就行了。這種想法很好！但你忘記了飛船攜帶的燃料是有限的，其實在回來時就已經所剩無幾了，所以我們還是得依賴大氣層減速。

嫦娥五號採用的辦法是“兩次進入”，它先以一個設計好的角度斜著插入大氣層，由於卡門線下方的大氣越來越稠密，它會像水面一樣在飛船底部形成升力和阻力，升力讓飛船彈跳起來飛行一段再重新落回大氣層。經過一次彈跳，飛船的速度大幅下降，再進入大氣層時過載就不會過大，溫度也不會過高。

嫦娥五號的“兩次進入”法

現在你應該明白了：

嫦娥五號打的“水漂”只彈起了一次，如果哪個小朋友這麼玩一定會被同伴們笑話的。但航天飛行是一門科學，它講求的首先是有效可控而不是炫耀，能達到目的就行，所以嫦娥姑娘不會在大氣層邊緣一直蹦蹦跳跳。

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，並不適於用嫦娥五號減速的目的。

那麼嫦娥五號的“打水漂再入法”是我們中國人發明的嗎？這個說來話長，且聽下回分解。

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