为何嫦娥五号选择“太空打水漂”的返回方案？
我们不妨抛开那些冰冷的科技名词，试着用更生活化的语言来聊聊这件事。想象一下，你在夏日午后，手里拿着一块石子，瞄准平静的湖面，“噗通”一声丢下去，石子在水面上跳跃几下，然后沉入水底。嫦娥五号的返回，虽然不像石子那样在空气中跳跃，但它利用了相似的原理来“借力打力”，只不过这个“水面”换成了地球的大气层。
为什么需要“太空打水漂”？
首先，我们得理解月球返回器是个什么状况。从月球回来，它带着样本，也带着巨大的动能。这个动能可不是闹着玩的，它相当于一个以极高速度冲向地球的物体。如果直接“硬闯”地球大气层，那简直就是在用自己撞一堵看不见的墙，巨大的摩擦力和冲击力会让它瞬间燃成一团火球，别说样本了，返回器本身也保不住。
所以，必须想个办法减速。最直接的办法就是使用发动机，但那需要消耗大量的燃料。而且，从月球返回的轨道设计，也并非是直接冲向大气层，它会有一个相对平缓的进入角度。
这就好比你从很高的地方扔一个东西，如果直接扔下去，它会非常快。但如果你把它稍微斜着扔，让它在空中滑翔一段，就能有效降低它的速度。
“太空打水漂”到底是什么意思？
嫦娥五号的返回器在进入地球大气层时，并没有直接以一个较大的角度“扎”进来。相反，它采取了一种“半弹道式”的返回方式。你可以想象成，它先是贴着大气层外面滑行了一段，就像在空中“擦”了一下。
具体来说，返回器在接近地球大气层的时候，并没有直接让它“烧”进去。而是先用一个相对较小的角度进入大气层。在大气层外围，它的大气动力学外形起到了关键作用。就好比你手里拿的纸飞机，它能滑翔是因为它的翼型和重心位置。返回器的外形设计，让它能够在大气层稀薄的外围“滑”一段，利用大气阻力来初步减速，同时保持一定的升力。
这个过程有点像在高速公路上行驶的汽车，刹车片和刹车盘会产生摩擦来减速，但如果你直接把车撞墙上，那效果就完全不一样了。返回器通过控制姿态和角度，让大气层这个“刹车片”能更温和、更有效地工作。
这个“滑行”或者说“擦”的过程，可以想象成返回器在大气层边缘进行了一次“软着陆”前的预减速。它在高速飞行中，利用大气层的阻力，将大部分动能转化为热能，但这部分热能又通过返回器的特殊设计和隔热材料被有效地阻挡在外，不至于损坏内部的载荷。
为什么这种方式有优势？
1. 节省燃料： 这种“借力打力”的方式，极大地减少了对返回器自身发动机的使用需求。你想啊，从月球飞回来已经是一次漫长的旅程，如果还要带着大量的“刹车燃料”，整个飞行器的重量和设计都会变得复杂得多。
2. 更安全的减速： 直接高超音速进入大气层会产生巨大的冲击力。这种“滑行”式的减速，过程更平缓，对返回器内部精密仪器的冲击也更小，能最大限度地保证样本的安全。
3. 更精准的着陆： 通过在大气层中的“滑翔”，返回器可以在一定程度上调整其轨迹，使得最后的着陆点更加精确可控。
这项技术的挑战在哪里？
虽然听起来很巧妙，但“太空打水漂”式的返回绝非易事。
精确的轨道控制： 进入大气层的角度、速度和姿态都需要极其精确的计算和控制。一旦角度偏离一点点，结果可能就是被烧毁或者弹出去。
复杂的气动外形设计： 返回器的外形需要兼顾在大气层外的高速飞行和在大气层内的“滑翔”减速。这就需要非常复杂的气动设计。
耐高温材料： 即使是“擦”一下，返回器在高速通过大气层时也会承受极高的温度，因此需要先进的耐高温材料来保护它。
通信中断的考验： 在进入大气层最关键的阶段，返回器会因为等离子体鞘套的产生而与地面暂时失联，这段时间内的自主导航和控制是巨大的考验。
总而言之，嫦娥五号的返回方案，与其说是“太空打水漂”，不如说是利用了先进的空气动力学原理，在大气层边缘进行了一次“半弹道式”的减速滑行。这就像给返回器穿上了一件特制的大气层“滑翔衣”，让它能以更安全、更经济的方式安全着陆，带回我们梦寐以求的月球宝藏。这项技术是中国航天工程智慧和勇气的结晶，充满了工程师们的匠心独运。
网友意见
我在坎巴拉计划里第一次完成绕Mun飞行的时候，犯了个错误，返回段只携带了400多DV的燃料，而从Mun回到坎巴拉时速度高达2900多，而进入坎星大气层的理想速度是2300，也就是说，我烧完所有燃料也只能把速度降低到2500，飞船还是会高速坠毁。
如何减速并且避免坠毁成了需要考虑的事情。
于是飞船进入坎星轨道后减速，燃料烧完时速度果然还有2500以上，近地点也在50千米高度（坎星大气层高度70千米，50千米已经有热障出现了），这意味着飞船的速度仍然可以让它重新冲入太空。很幸运这条轨道虽然是个细长的椭圆，但仍是条闭合的轨道，远地点大约2500千米。
于是，飞船在第一次进入大气层后，不出意外的飞过了近地点，并继续飞入太空，向远地点飞去，但速度明显减少了，而且轨道预估的近地点降低到43千米；飞船第二次进入大气层并飞出后，近地点降低到36千米；飞到第4次的时候，近地点还有23千米，但飞船这次飞过近地点后没有再飞入太空，它的速度已经在4次反复进入大气层的过程中降低到2200以内，它划了一个漂亮的弧线，在距地12000米的高度放出了减速伞然后是主降落伞，最后稳稳地落入了水中。
所以反复进出大气层是燃料有限的情况下可以采用的比较稳妥的着陆方案。
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。
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