为何嫦娥五号选择“太空打水漂”的返回方案？ 第1页

气动刹车而已。

航天器对于重量是锱铢必较的，千方百计减重，多带一点点任务载荷。开玩笑呢，大气层里的飞机对重量都是能少一点是一点，更别说飞出大气层的航天器了。所以对于大气层外航天器的速度增减，能够不用燃料就不用燃料，燃料也是重量嘛。

对于加速，我们有“引力弹弓”效应，这个有机会以后再讲。

对于减速，当目标星球有大气层的时候，就可以充分利用大气层的阻力来减速了，这就是“气动刹车”，也就是题目里说的“太空打水漂”。有的漂一下，有的漂很多下，就看需要减多少速度、目标星球的特性了。

原理并不复杂，难点在于精确控制轨道、精确控制进入时间、航天器自己的防热设计。特别是对于火星任务这种时延特别严重的任务，自动化控制系统也是一个难点。

这里所称的“打水漂”指的是“跳跃式再入”，是半弹道再入的一种特例，适用于高速再入稠密大气层。目的是为了尽可能降低过载和加热。

地月的距离其实很远，当探测器从月球返回的时候，几乎是在垂直向着地球做自由落体，重力会不断加速探测器，最终会把它加速到10.9KM/S的速度，比第二宇宙速度只差了300M/S（因为月球还在地球的引力范围之内。在这个范围之内，距离越远，再入速度越快，但不会超过第二宇宙速度。但如果是来自引力范围之外的天体（比如从绕日轨道返回），则必然会超过第二宇宙速度）。

多说一句，由于机械能守恒，从地球把探测器发射进地月转移轨道也需要这么快的初速度。

太空中没有阻力，这意味着飞行过程中你不用开着引擎，但你也没处踩刹车，任何人为的速度改变，都需要人工施加外力。飞到了目的地，如果你不想硬着陆（撞上去），就必须停下来。对于月球，还可以用火箭强行消，毕竟它引力小、速度慢（绕月第一宇宙速度、月球绕地公转轨道速度都仅1KM/S多一点）。

可是对于地球这么大引力的物体，就行不通了。化学火箭能提供的速度改变量主要取决于燃料的多少，想增加速度改变量，就必须增加燃料，可燃料本身又会增加火箭质量，拖慢加速度。根据齐奥尔科夫斯基公式dV=Isp*g*ln(m0/m1)，随着速度改变量的增加，火箭质量会指数倍地提升。如果你要留下足够的燃料停下返回舱，那么发射时的火箭质量将会达到长征五号的数倍（不止两倍），这是不可接受的。

好消息是，地球有大气层，如果我们把月地返回轨道的近地点控制在大气层内，那么返回舱回到地球附近时就会撞上迎面而来的空气。由于运动速度远高于音速，空气在前方堆积和压缩，导致温度升高，把动能变成热量带走。返回舱前后的气压差会产生空气阻力（再入产生的过载和加热主要都来自于气体压缩，摩擦是次要因素），给返回舱一个逆向的加速度，我们一般叫过载。过载越大，说明前方的气压越大，压缩越剧烈，产生的热量也会越强。

如果我们能把进入大气层的位置精确控制在一个叫“再入走廊”的范围内，那么大气密度就能够把返回舱减速到“地心引力始终大于返回舱绕地旋转所需的向心力”，但又不至于直接对地撞下去。随后，轨道半径不断降低——进入低空更稠密的大气层中——接受更大过载地减速，最终就能停下来了。这就是弹道式再入。

然而，问题又来了。10.9KM/S的速度，已经远远超过了7.9KM/S的近地轨道再入速度。如果你非要用弹道式再入，那么它必须一次性额外减掉3KM/S才能落到地球上。

你可别觉得3KM/S的额外速度很小。物体的动能随着速度的上升，是成指数倍上升的。这些动能全都要被转化成热能。

这不仅仅是气动加热的问题，过载也存在同样的情况——下式为空气阻力公式。FD是空气阻力，p是空气密度，v是相对速度，Cd是阻力系数，A是垂直于风向的投影面积。

可以很明显地看出，空气阻力与速度的平方成正比。速度提升，过载会成指数倍地提升。如此剧烈的过载和气动加热必然会损坏返回舱。基于同样的理由，我们一般不会用火箭反推来消除这个速度差，那该怎么办呢？

大气层的绝大多数气体都集中在地球表面2万米以下的空间内，越往高空越稀薄。空气密度越小，所能产生的阻力越小。如果我们能够让探测器一直停留在高层大气之中不落下来，那么就可以慢慢减速、一点点释放热量。

地球上空100KM海拔的高度线，被称为“卡门线”。在这条线以上，以轨道速度运行的物体无论如何都不能获得比重力更大的升力，所以是失重的；在这条线以下，只要飞行器经过精心设计，就一定能够在轨道速度让升力高于重力。这样的再入器可以像飞机一样维持高度滑翔，这就是“升力再入”。

简单粗暴的方式是加个翅膀，也就是航天飞机。但我们的返回舱是锥状的，那怎么产生升力呢？我们可以让返回舱的重心偏移一些。这样，隔热罩就会与气流产生一个攻角，将更多的气流向下推，返回舱就获得了一个向上的分力。如果我们还能人工控制重心的位置，那么我们还能调节升力的方向，从而精确控制落点。不过这种再入虽有升力，却比航天飞机等有翼航天器弱很多，在再入的绝大多数时间里都无法与重力抗衡。我们把这种介于弹道再入与升力再入之间的方式，称为“半弹道式再入”。

半弹道式再入延长了在大气层内减速的时间，从而降低了过载和热载。但是，延长时间，也会导致热量持续在返回舱上堆积，从外向内不断传导。返回舱的隔热罩厚度有限，如果持续不断施加高温，没有散热的机会，即使空气稀薄、温度相对较低，也迟早会被烧穿。

有没有办法让探测器在再入的过程中“休息”一下呢？

实现这一目的的方式，就是采用升/阻比更大外形的返回舱。比如更类似锥形的外形，可以有更大的隔热罩面积，从而推动更多的空气，产生更多的升力。升/阻比越高，同等阻力下产生的升力也越大。

对于同一升阻比的物体，空气密度越高、流动速度越快，升力就越大。只要升阻比够大，随着高度的不断降低，空气密度越来越大，其升力会最终超过重力，把返回舱向上再次抬起。由于之前速度已经有所下降，所以返回舱抬起后不会进入轨道，而是会进入一条亚轨道，在稀薄的高层空气中飞过一条弧线，然后再次落入稠密大气之中。

返回舱第一次再入时必须精确对准再入走廊。随后，返回舱会在阿拉伯海上空冲入大气层，承受2.5G的加速度持续减速，直到轨迹被重新抬起。通过调整返回舱的再入攻角大小，我们可以控制抬轨迹被抬起的程度。

随后，在西藏上空，返回舱进入亚轨道，把之前积累的热量散发掉。直到重新向下落，然后在甘肃上空再经历一段2G加速度的黑障区，最终减速到终端速度，然后打开降落伞安全着陆。

需要注意的是，“跳跃式再入”必须和另一种被俗称“打水漂”的“大气制动”区分开，因为它们并不是一回事。

大气制动是在近地点利用高层大气的阻力，把探测器从逃逸轨道减速到捕获轨道，然后再不断降低其远地点，最终达到轨道正圆化的一种技术。这种探测器也会在进入大气层后重新向上脱离大气层，但这完全不是源自升力，而是因为它们切入大气层的角度本来就在“再入走廊”的上方，大气过于稀薄，并不足以消除其水平速度，探测器始终都没有脱离过轨道，它只是在沿着星球的切线方向穿过大气层，看起来像是打了个水漂而已。

区别“跳跃式再入”与“大气制动”的最主要特征，就是看物体是否还留在轨道上。

地球大气过于稠密，目前还没有国家在地球试验过大气制动。只有美国在火星尝试过。我国至今未实现过大气制动，但我国早就已经掌握了跳跃式再入的技术。

早在2014年，我国就已经用T1试验器，飞过一次地月自由返回轨道（飞到月球，利用月球引力掉个头，回到地球），并用跳跃式再入，成功着陆了一个神舟飞船的缩小版返回舱。

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不知道有没有人注意到，这种再入方式，可以让物体在水平方向上运动更长的距离？那你想到它还有其他的什么用途了吗？

弹道导弹是一种亚轨道飞行器。每个拥有弹道导弹的国家，都希望导弹能打得更远，威慑更多的外国。通常弹道导弹飞行的距离完全要依靠火箭关机时的初速度。打得越远，火箭燃料就得越多，造成质量的浪费。有什么办法可以少用一些燃料，把弹头打得更远呢？简单！给弹头装个翅膀不就行了？然后，弹头就变成了这个样子：

这种有升力的弹头，在再入过程中，会维持在高层大气中弹跳数次，不会落下来，直到速度耗尽为止。这个过程中它会在水平方向滑出相当远的距离。不仅如此，有升力的弹头，还能实现自主控制，飞出曲线，规避敌方的拦截导弹。