關(guān)于作者
“嫦娥”怎樣才能回娘家？
力學(xué)園地
2014年12月02日木白
“嫦娥奔月”是在中國(guó)流傳了上千年的美麗神話，代表了人類飛往太空的一種夢(mèng)想。咱們國(guó)家實(shí)施的“探月工程”邁開了中國(guó)人實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想的征程。
大家都知道，我國(guó)探月工程一共分為三期完成：一期是“繞”——繞月探測(cè)，二期是“落”——月面軟著陸和自動(dòng)巡視勘測(cè)，三期是“回”——無(wú)人自動(dòng)取樣返回。這些都是為載人探月任務(wù)鋪墊基石的。2007年10月24日，中國(guó)第一顆月球探測(cè)衛(wèi)星“嫦娥1號(hào)”成功進(jìn)入太空，進(jìn)行了“撞月”試驗(yàn)?！版隙?號(hào)”則是進(jìn)行繞月飛行，它是“嫦娥3號(hào)”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?！版隙?號(hào)”攜帶“玉兔號(hào)”月球車實(shí)現(xiàn)了落月計(jì)劃?！版隙?號(hào)”是“嫦娥3號(hào)”的備份星，由于“嫦娥3號(hào)”成功地完成了所有的使命，“嫦娥4號(hào)”就無(wú)需再發(fā)射了?，F(xiàn)在我們進(jìn)入了探月三期的任務(wù)階段，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。與“嫦娥1號(hào)”、“嫦娥2號(hào)”和“嫦娥3號(hào)”相比，“嫦娥5號(hào)”的身體結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，包括軌道器、上升器、著陸器和返回器等部分，它們像“葫蘆”一樣串在一起共同組成，需要突破月面采樣、月面上升、月球軌道交會(huì)對(duì)接和高速返回等四大關(guān)鍵技術(shù)。為突破高速返回這個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，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(hào)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(hào)”的基本一致），而且它不會(huì)走“嫦娥5號(hào)”要走的全程，只是重點(diǎn)考察從距地約38萬(wàn)公里的月球返回地球這一段“回家”路該怎么走。
2014年10月24日凌晨2點(diǎn)，作為一個(gè)探路尖兵，再入返回飛行試驗(yàn)器“嫦娥5號(hào)T1”在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心乘坐“長(zhǎng)征3號(hào)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、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度41.3萬(wàn)公里的地月轉(zhuǎn)移軌道。除了起飛入軌以外，它還要經(jīng)歷地月轉(zhuǎn)移、月球近旁轉(zhuǎn)向、月地轉(zhuǎn)移、再入返回和著陸回收等五個(gè)階段（參見圖3）。2014年11月1日6時(shí)42分，“嫦娥5號(hào)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。
射.jpg)
射過程.jpg)
有人要問：“嫦娥回家”路是真的有這么難嗎？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！原來，“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）；而“嫦娥”在完成繞月飛行后再進(jìn)入地球大氣層時(shí)，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，我國(guó)研制發(fā)射的“神舟”飛船）和行星際飛行器（例如，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(wàn)有引力”一文中，談到了在地球上的任何物體都要受到地球的引力，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。按照萬(wàn)有引力定律和牛頓第二定律，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，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。換句話說，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?，如若速度不夠大（小于第一宇宙速度），它就?huì)在地球引力作用下落回地面；如若速度大于第一宇宙速度，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；當(dāng)速度達(dá)到第二宇宙速度時(shí)，人造衛(wèi)星就會(huì)脫離地球的引力場(chǎng)。所以“嫦娥”要做繞月運(yùn)動(dòng)，它的速度要達(dá)到第二宇宙速度。這里，不妨順便告訴大家，對(duì)于航天而言，還有一個(gè)“第三宇宙速度”，這是航天飛行器脫離太陽(yáng)引力場(chǎng)所需的最低速度。當(dāng)航天器具有這個(gè)速度時(shí)，它就可以脫離太陽(yáng)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。
宇宙速度.jpg)
顯然，對(duì)于再入速度接近第二宇宙速度的“嫦娥”而言，如果不采取必要的減速措施，返回艙落地時(shí)速度會(huì)太大，可能造成艙體的損毀，不僅航天員受不了，就是無(wú)人采樣帶回的樣品也可能遭到破壞。這樣一來，“探月”的成果將蕩然無(wú)存。我們看到返回艙在快接近地面時(shí)打開降落傘，就是減小返回艙的落地速度的一個(gè)措施。但是如果再入速度太高，現(xiàn)有的降落傘就難以達(dá)到要求。而且，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，如果載有航天員，人的身體便會(huì)受到很大的損傷。此外，力學(xué)知識(shí)告訴我們，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，相對(duì)速度越大所產(chǎn)生的熱量就越多，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，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?，F(xiàn)在，“嫦娥”再入大氣層的速度比“神舟”的快得很多很多，如果沒有更好的措施，它就可能無(wú)法“全身”回娘家啦！圖5給出了“嫦娥5號(hào)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，實(shí)施初次氣動(dòng)減速；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；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，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)，返回器降落傘順利開傘，在預(yù)定區(qū)域順利著陸?？傊?，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。
原來，“嫦娥”在返回地球過程中，要實(shí)施兩次氣動(dòng)減速，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，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的減速。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？讓我們慢慢來解釋，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，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)，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。對(duì)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，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，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、半彈道跳躍式、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，相應(yīng)的返回飛行器分別具有零升阻比、小升阻比、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。需要附加說明的是，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(duì)于升力的大小與方向均不加以控制。“嫦娥5號(hào)”的返回艙是“球冠倒錐”形（參見圖6），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。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，但它的形狀不是很好的流線型，所以升力不大，升阻比在0.1到0.5之間。不過有了這點(diǎn)升力，“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，然后以大約第一宇宙速度第二次進(jìn)入大氣層。所以，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，飛船是“打氣漂”！）。不過，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(hào)T1”打一個(gè)“氣漂”就跳躍了大約2萬(wàn)公里！它首次再入大氣層的位置是在南大西洋上空，然后劃過印度洋的上空，飛躍4萬(wàn)里的路程，才到達(dá)位于內(nèi)蒙古四子王旗的娘家。
不難理解，這一個(gè)“跳躍”動(dòng)作是生死攸關(guān)的一跳！如果跳不起來，“嫦娥”就會(huì)一頭栽下摔個(gè)粉身碎骨；如果跳過了，“嫦娥”就會(huì)逃離大氣層，無(wú)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，選定返回艙再入的位置和姿態(tài)是非常關(guān)鍵的。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)，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)。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。在空氣動(dòng)力學(xué)里，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(duì)稱軸線和速度方向之間的角度。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 的變化情況，它們分別是俄羅斯的“聯(lián)盟”號(hào)、美國(guó)的“阿波羅”號(hào)和“雙子星座”號(hào)（參見圖8）?？梢钥闯觯版隙稹钡耐庑魏汀奥?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；在某些攻角范圍內(nèi)升力為負(fù)值，它就不能起到平衡地球引力的作用。因此，返回艙一般都是采用負(fù)攻角的配平姿態(tài)，使得升力為正值。有關(guān)的研究表明，小升阻比返回艙的形狀以球冠倒錐形為最優(yōu)，它們的最大過載和最高熱流也能滿足要求。所以，中國(guó)的“神舟”號(hào)和“嫦娥”號(hào)與俄羅斯的“聯(lián)盟”號(hào)、美國(guó)的“阿波羅”號(hào)和“雙子星座”號(hào)一樣，返回艙都選用這種形狀。
盡管為了“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)、周密的計(jì)算機(jī)仿真推演，但是由于目前人們對(duì)地球大氣特性的認(rèn)識(shí)還不充分，對(duì)返回器高速返回條件下的氣動(dòng)、熱防護(hù)、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，為確?！版隙?號(hào)”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，獲取必要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。這次飛行任務(wù)要驗(yàn)證的6項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是（參見圖9）：（1）驗(yàn)證返回器氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)技術(shù)。利用飛行試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)對(duì)返回器氣動(dòng)設(shè)計(jì)的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，通過數(shù)據(jù)分析比對(duì)修正返回器氣動(dòng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。（2）驗(yàn)證返回器防熱技術(shù)。通過飛行過程中防熱結(jié)構(gòu)溫度變化歷程對(duì)防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，提高熱分析的準(zhǔn)確性。測(cè)量返回器熱蝕情況。（3）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)。（4）驗(yàn)證月地返回及再入返回地面測(cè)控支持能力。針對(duì)返回器高動(dòng)態(tài)、散布范圍大、跟蹤捕獲難等特點(diǎn)，綜合開展總體設(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)。（5）驗(yàn)證返回器可靠著陸技術(shù)。利用返回器內(nèi)側(cè)、外側(cè)、遙測(cè)和氣象數(shù)據(jù)對(duì)返回器可靠著陸技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。（6）驗(yàn)證返回器可靠回收技術(shù)。通過返回器搜索回收，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。
任務(wù).jpg)
首次再入返回飛行試驗(yàn)的圓滿成功，標(biāo)志著我國(guó)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)，為確保“嫦娥5號(hào)”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)。
中國(guó)人在實(shí)現(xiàn)奔月夢(mèng)想的征途上又邁出了一步！