“嫦娥奔月”是在中國流傳了上千年的美麗神話析苫，代表了人類飛往太空的一種夢想。咱們國家實(shí)施的“探月工程”邁開了中國人實(shí)現(xiàn)這一夢想的征程穿扳。
探月工程
大家都知道衩侥，我國探月工程一共分為三期完成：
- 一期是“繞”——繞月探測；
- 二期是“落”——月面軟著陸和自動(dòng)巡視勘測矛物；
- 三期是“回”——無人自動(dòng)取樣返回茫死。
這些都是為載人探月任務(wù)鋪墊基石的。
探月基石
2007年10月24日履羞，中國第一顆月球探測衛(wèi)星“嫦娥1號”成功進(jìn)入太空峦萎，進(jìn)行了“撞月”試驗(yàn)。隨后忆首，“嫦娥2號”則是進(jìn)行繞月飛行爱榔，它是“嫦娥3號”的先導(dǎo)星，在任務(wù)完成后并不返回而是飛向更深遠(yuǎn)的太空糙及。接著详幽，“嫦娥3號”攜帶“玉兔號”月球車實(shí)現(xiàn)了落月計(jì)劃〗牵“嫦娥4號”是“嫦娥3號”的備份星唇聘，由于“嫦娥3號”成功地完成了所有的使命，“嫦娥4號”就無需再發(fā)射了柱搜。
現(xiàn)在我們進(jìn)入了探月三期的任務(wù)階段迟郎，它是以在月球表面自動(dòng)采樣并返回地球?yàn)槟繕?biāo)的，將于2017年前后發(fā)射聪蘸。與“嫦娥1號”谎亩、“嫦娥2號”和“嫦娥3號”相比，“嫦娥5號”的身體結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多宇姚，包括軌道器匈庭、上升器、著陸器和返回器等部分浑劳，它們像“葫蘆”一樣串在一起共同組成阱持，需要突破月面采樣、月面上升魔熏、月球軌道交會(huì)對接和高速返回等四大關(guān)鍵技術(shù)衷咽。為突破高速返回這個(gè)關(guān)鍵技術(shù)鸽扁，必須先期進(jìn)行再入返回飛行試驗(yàn)。飛行試驗(yàn)器“嫦娥5號T1”只有服務(wù)艙和返回器兩個(gè)部分（但其中的返回器與“嫦娥5號”的基本一致）镶骗，而且它不會(huì)走“嫦娥5號”要走的全程桶现，只是重點(diǎn)考察從距地約38萬公里的月球返回地球這一段“回家”路該怎么走。
探路尖兵
2014年10月24日凌晨2點(diǎn)鼎姊，作為一個(gè)探路尖兵骡和，再入返回飛行試驗(yàn)器“嫦娥5號T1”在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心乘坐“長征3號丙”運(yùn)載火箭發(fā)射升空（參見圖2），并準(zhǔn)確進(jìn)入近地點(diǎn)高度為209公里相寇、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度41.3萬公里的地月轉(zhuǎn)移軌道慰于。
除了起飛入軌以外，它還要經(jīng)歷地月轉(zhuǎn)移唤衫、月球近旁轉(zhuǎn)向婆赠、月地轉(zhuǎn)移、再入返回和著陸回收等五個(gè)階段（參見圖3）佳励。2014年11月1日6時(shí)42分休里，“嫦娥5號T1”的返回器在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域順利著陸，整個(gè)飛行歷時(shí)8天赃承。
怎么離開娘家份帐？
難度在哪里？
有人要問：“嫦娥回家”路是真的有這么難嗎楣导？我們的“神舟”飛船不是多次成功地返回了地面，2003年還實(shí)現(xiàn)了載人飛行與返回呀畜挨！原來筒繁，“神舟”是圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的飛船，它返回地球的初速度大約等于第一宇宙速度（7.9公里/秒）巴元；而“嫦娥”在完成繞月飛行后再進(jìn)入地球大氣層時(shí)毡咏，它的初速度就接近第二宇宙速度（11.2公里/秒）了。這里的第一和第二宇宙速度是從地球表面向宇宙空間發(fā)射人造地球衛(wèi)星（例如逮刨，我國研制發(fā)射的“神舟”飛船）和行星際飛行器（例如呕缭，這里談到的繞月飛行“嫦娥”飛船）所需要的最低速度。
2014年10月期《力學(xué)園地》的“漫說萬有引力”一文中修己，談到了在地球上的任何物體都要受到地球的引力恢总，這個(gè)引力的大小正比于地球和物體的質(zhì)量乘積、反比于地心和物體之間距離的平方睬愤。
按照萬有引力定律和牛頓第二定律片仿，就不難求算出來這兩個(gè)速度值。第一宇宙速度是人造衛(wèi)星圍繞地球表面做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度尤辱，此時(shí)地球的引力恰好提供人造衛(wèi)星做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力砂豌。
- 人造衛(wèi)星所以能夠維持在繞地軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)是因?yàn)樗哂星‘?dāng)?shù)乃俣认崞瘢缛羲俣炔粔虼螅ㄐ∮诘谝挥钪嫠俣龋蜁?huì)在地球引力作用下落回地面阳距。
- 如若速度大于第一宇宙速度塔粒，人造衛(wèi)星的軌道不再是圓形而變?yōu)闄E圓形，速度越大軌道的橢率也越大筐摘。
- 當(dāng)速度達(dá)到第二宇宙速度時(shí)卒茬，人造衛(wèi)星就會(huì)脫離地球的引力場。所以“嫦娥”要做繞月運(yùn)動(dòng)蓄拣，它的速度要達(dá)到第二宇宙速度扬虚。
這里，不妨順便告訴大家球恤，對于航天而言辜昵，還有一個(gè)“第三宇宙速度”，這是航天飛行器脫離太陽引力場所需的最低速度咽斧。當(dāng)航天器具有這個(gè)速度時(shí)堪置，它就可以脫離太陽系做恒星際的飛行了，力學(xué)家計(jì)算出它的大小為16.7公里/秒张惹。
曲折的歸途
三種傷害
力學(xué)知識告訴我們舀锨，飛行器在大氣中高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，器壁與氣體之間會(huì)發(fā)生摩擦從而產(chǎn)生熱量宛逗，相對速度越大所產(chǎn)生的熱量就越多坎匿，飛行器表面的溫度就越高。大家看到“神舟”再入大氣層時(shí)像一團(tuán)火球下落就是這個(gè)原因雷激，所以科學(xué)家要采取一系列“防熱措施”才能保證飛船再入期間不被燒壞√媸撸現(xiàn)在，“嫦娥”再入大氣層的速度比“神舟”的快得很多很多屎暇，如果不采取必要的減速措施承桥，返回艙落地時(shí)速度會(huì)太大，可能對下面三種造成損傷根悼。
- 飛船艙體凶异。
- 宇航員身體。
- 太空采樣樣品挤巡。
光用降落傘不管用
再入速度是第一宇宙速度時(shí)剩彬，降落傘是一個(gè)很有效的措施，當(dāng)返回艙在快接近地面時(shí)打開降落傘矿卑，這樣就可以減小返回艙的落地速度襟衰，以保護(hù)飛船、人員和樣品。再入速度是第二宇宙速度時(shí)瀑晒，現(xiàn)有的降落傘就難以達(dá)到要求绍坝，所以在一條較短的軌道上把速度從接近第二宇宙速度（大氣層邊緣處）降到零（地面處），最大過載會(huì)達(dá)到8-10倍重力加速度苔悦，如果載有航天員轩褐，人的身體便會(huì)受到很大的損傷。
管用的回家辦法
圖5給出了“嫦娥5號T1” 服務(wù)艙與返回器分離（距地面約5000公里處）后回娘家的過程：
- 返回器以接近第二宇宙速度（10.8公里/秒）進(jìn)入大氣層玖详，實(shí)施初次氣動(dòng)減速把介；返回器在距地面約120公里的大氣層邊緣處向上躍起，跳出大氣層蟋座；
- 返回器到達(dá)跳出最高點(diǎn)后開始逐漸下降并再次進(jìn)入大氣層拗踢，實(shí)施二次氣動(dòng)減速；
-
在降至距地面大約10公里高度時(shí)向臀，返回器降落傘順利開傘巢墅，在預(yù)定區(qū)域順利著陸。
圖5 “嫦娥5號T1”回地程序圖示
總之券膀，航天專家的首要任務(wù)是要千方百計(jì)地把返回艙的再入飛行速度減下來君纫。
半彈道跳躍式再入
原來，“嫦娥”在返回地球過程中芹彬，要做：
實(shí)施兩次氣動(dòng)減速蓄髓，在第一次進(jìn)入大氣層實(shí)現(xiàn)一定的減速以后要飛離大氣層，然后再第二次進(jìn)入大氣層舒帮，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的減速会喝。航天專家把這種返回地球的方式稱作“半彈道跳躍式再入”。
有點(diǎn)繞口吧玩郊？讓我們慢慢來解釋肢执，先從“彈道式”說起。大家都知道大炮發(fā)射的炮彈在空中劃出一道弧線瓦宜，這里炮彈在炮膛中獲得一定的初速度射出后，只是在地球的引力和空氣的摩擦阻力作用下運(yùn)動(dòng)岭妖，根據(jù)牛頓定律不難算出它的運(yùn)動(dòng)軌跡（或者說“彈道”）是一條拋物線临庇。對于從大氣層以外返回地球的再入飛行器，如果在再入過程中不利用升力昵慌，像遠(yuǎn)程導(dǎo)彈那樣只是受到地球引力和空氣摩擦力的作用假夺，那么就是所謂的“彈道式再入”。
航天飛行器再入大氣層則有彈道式斋攀、半彈道跳躍式已卷、半彈道滑翔式和滑翔式等幾種方式，它們的區(qū)別主要在于利用升力的程度淳蔼，相應(yīng)的返回飛行器分別具有零升阻比侧蘸、小升阻比裁眯、中升阻比和大升阻比，這里所說的“升阻比”是指飛行器的升力和阻力之比讳癌。需要附加說明的是穿稳，有些采用“彈道式”再入的返回器可能會(huì)產(chǎn)生升力，但人們對于升力的大小與方向均不加以控制晌坤。
“嫦娥5號”的返回艙是“球冠倒錐”形（參見圖6）逢艘。它的頭部（“冠”）是個(gè)球面（在圖6中已壓在地上了），而后身是圓錐體骤菠。
為什么能跳它改？
當(dāng)“嫦娥”在大氣中飛行時(shí)不僅會(huì)受到阻力，也會(huì)產(chǎn)生一定的升力商乎，但它的形狀不是很好的流線型央拖，所以升力不大，升阻比在0.1到0.5之間截亦。不過有了這點(diǎn)升力爬泥，“嫦娥”在以大約第二宇宙速度第一次進(jìn)入大氣層受到空氣阻力而減速后，還可能依靠這個(gè)升力再爬升并“跳躍”出大氣層崩瓤，然后以大約第一宇宙速度第二次進(jìn)入大氣層蔼两。所以宪卿，不難理解，為什么有人也把這種再入返回方式稱作“彈道-升力”式啦。
航天專家把“半彈道跳躍式”再入形象地比喻為“打水漂”（嚴(yán)格地說窃肠，飛船是“打氣漂”！）士骤。
不過忆蚀，小孩子在河邊扔石頭、打水漂的游戲可是沒法和飛船“半彈道跳躍式”再入過程相比的：“嫦娥5號T1”打一個(gè)“氣漂”就跳躍了大約2萬公里嘁扼！它首次再入大氣層的位置是在南大西洋上空信粮，然后劃過印度洋的上空，飛躍4萬里的路程趁啸，才到達(dá)位于內(nèi)蒙古四子王旗的娘家强缘。
不難理解，這一個(gè)“跳躍”動(dòng)作是生死攸關(guān)的一跳不傅！
如果跳不起來旅掂，“嫦娥”就會(huì)一頭栽下摔個(gè)粉身碎骨；如果跳過了访娶，“嫦娥”就會(huì)逃離大氣層商虐，無法二次再入而在太空里游蕩，既回不了娘家也去不了夫家。這里秘车，選定返回艙再入的位置和姿態(tài)是非常關(guān)鍵的典勇。精確可靠地控制返回艙再入的位置和姿態(tài)，靠的是掌握高速再入導(dǎo)航制導(dǎo)與控制技術(shù)鲫尊，但是氣動(dòng)學(xué)家必須給出保證返回艙安全回地所需要的再入位置和姿態(tài)痴柔。再入點(diǎn)位置是由軌道決定的，而姿態(tài)的確定則要由所需的氣動(dòng)升力來決定疫向。在空氣動(dòng)力學(xué)里咳蔚，飛行器姿態(tài)可以用飛行攻角來表示，這里的攻角就是飛行器對稱軸線和速度方向之間的角度搔驼。
圖7是科學(xué)家計(jì)算出的三種球冠倒錐形返回艙的升阻比L/D隨攻角α的變化情況谈火，它們分別是俄羅斯的“聯(lián)盟”號、美國的“阿波羅”號和“雙子星座”號（參見圖8）舌涨。
可以看出糯耍，“嫦娥”的外形和“聯(lián)盟”基本一樣。圖7的曲線告訴我們：返回器在零攻角飛行時(shí)沒有升力囊嘉；在某些攻角范圍內(nèi)升力為負(fù)值温技，它就不能起到平衡地球引力的作用。因此扭粱，返回艙一般都是采用負(fù)攻角的配平姿態(tài)舵鳞，使得升力為正值。有關(guān)的研究表明琢蛤，小升阻比返回艙的形狀以球冠倒錐形為最優(yōu)蜓堕，它們的最大過載和最高熱流也能滿足要求。所以博其，中國的“神舟”號和“嫦娥”號與俄羅斯的“聯(lián)盟”號套才、美國的“阿波羅”號和“雙子星座”號一樣，返回艙都選用這種形狀慕淡。
為什么要探路背伴？
為了“嫦娥”的安全回家，我們的科學(xué)家已經(jīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的地面實(shí)驗(yàn)峰髓、周密的計(jì)算機(jī)仿真推演傻寂，但是由于目前人們對地球大氣特性的認(rèn)識還不充分，對返回器高速返回條件下的氣動(dòng)儿普、熱防護(hù)崎逃、導(dǎo)航制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型的掌握還不完全掷倔，為確泵己ⅲ“嫦娥5號”任務(wù)成功，必須把實(shí)驗(yàn)室從地面搬到天上，通過真實(shí)飛行浪汪，獲取必要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)巴柿。
這次飛行任務(wù)要驗(yàn)證的6項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)參見圖9。
- 驗(yàn)證返回器氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)技術(shù)死遭。利用飛行試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)對返回器氣動(dòng)設(shè)計(jì)的正確性進(jìn)行驗(yàn)證广恢，通過數(shù)據(jù)分析比對修正返回器氣動(dòng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫。
- 驗(yàn)證返回器防熱技術(shù)呀潭。通過飛行過程中防熱結(jié)構(gòu)溫度變化歷程對防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行評估钉迷，提高熱分析的準(zhǔn)確性。測量返回器熱蝕情況钠署。
- 驗(yàn)證返回器“半彈道跳躍式”高速再入導(dǎo)航制導(dǎo)與控制系統(tǒng)技術(shù)糠聪。
- 驗(yàn)證月地返回及再入返回地面測控支持能力。針對返回器高動(dòng)態(tài)谐鼎、散布范圍大舰蟆、跟蹤捕獲難等特點(diǎn)，綜合開展總體設(shè)計(jì)狸棍、分析和試驗(yàn)身害。
- 驗(yàn)證返回器可靠著陸技術(shù)。利用返回器內(nèi)側(cè)草戈、外側(cè)塌鸯、遙測和氣象數(shù)據(jù)對返回器可靠著陸技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。
- 驗(yàn)證返回器可靠回收技術(shù)猾瘸。通過返回器搜索回收界赔，驗(yàn)證空地協(xié)同搜索回收工作方法，同時(shí)具備地面獨(dú)立搜索能力牵触。
首次再入返回飛行試驗(yàn)的圓滿成功淮悼，標(biāo)志著我國已全面突破和掌握航天器以接近第二宇宙速度的高速再入返回技術(shù)，為確崩克迹“嫦娥5號”任務(wù)的順利實(shí)施和探月工程的持續(xù)推進(jìn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)袜腥。
中國人在實(shí)現(xiàn)奔月夢想的征途上又邁出了一步！
