刊登日期 : 2020-12-17
相信很多人都玩过“打水漂”游戏，亦即是香港人所讲的“片石仔”。找一片薄薄的石头，放低身姿，将石头斜贴著水面掷出，石头在扎入水里后又会快速跃出，回到空中，再扎入水里，又回到空中，如此重复多次。今次嫦娥五号返回地球，也用了一个太空“打水漂”的方式进入大气层，但这个“打水漂”的难度比游戏难得多，当中就有一系列关键技术需要突破。
地球家门难入 高速与高温成“拦路虎”
嫦娥五号选择的“打水漂”返回方式，学名叫做“半弹道跳跃式再入”，是有别于美、苏航天器的全新再入方式。采用“太空打水漂”的方式，可以让嫦娥五号返回器在大气层中的飞行和再次升高的过程中消耗足够多的能量，从而把速度降下来，拉长航程，有利于保证返回器安全着陆。
地球和月球的距离其实比我们想像中的要远，当航天器从月球返回的时候，几乎是在垂直向着地球做自由落体，重力会令返回器不断加速，最终把它加速到10.9公里每秒的速度，近乎第二宇宙速度。高速进入大气层时将摩擦产生剧烈高温，热量急剧提升为航天器返回带来巨大挑战。因此要让返回器安全顺利返回地球，首要解决的两大重要难题就是速度和温度。
要让航天器成功减速，是一个世界级的难题。在研究美、苏经验的基础上，中国航太科技集团五院的轨道设计师们提出一个切合中国航天器实际情况的大胆方案，就是半弹道跳跃式再入返回。据嫦娥五号探测器总体主任设计师孟占峰介绍，返回器就像在太空中“打水漂”，先是高速进入大气层，再借助大气层提供的升力跃出大气层，然后再以第一宇宙速度扎入大气层，返回地面，整个过程环环相扣，在15分钟内完成。返回器在大气层中的飞行和再次升高的过程中可以消耗足够多的能量，从而把速度降下来。
解决了高速问题，接下来便是“致命”的高温问题。航天器被大气层剧烈摩擦会产生极高温的烧灼，再入速度每提高1倍，再入热量就会提高8到9倍。如此高的温度一旦传入返回器内部，后果将不堪设想。为了放热和对抗烧蚀，中国航太科技集团五院总体设计部团队为嫦娥五号贴身订造“防热衣”。
首先，针对月球轨道返回热环境、空间环境和重量的要求，科研人员提出了不同部位耐烧蚀和隔热的具体需求与指标，从33种新研材料中筛选出了7种防热材料，完成防热材料的布局和局部防热结构设计，实现了中国由近地轨道再入到深空轨道再入的防热结构设计跨越。
其次，科研人员提出了三维传热烧蚀分析方法，采用整体变厚度、变密度，分区域、偏轴设计方案，突破了轻量化设计关键技术，并利用一维烧蚀分析和三维温度场分析相结合的数值分析方法，实现了用全面的局部烧蚀试验代替整器烧蚀试验。
相比发射升空，嫦娥五号如何安全回家的问题显然更难。也只有攻克速度和高温的难题，才能保证嫦娥五号返回舱安全返回地球，整个探月任务才能算是圆满完成。
太空“打水漂”为未来载人登月奠定基础
选择“半弹道跳跃式再入”还有一个重要考量，便是为了兼顾长远的深空探测目标，同时为中国将来的载人登月计划奠定基础。未来如果航天器从火星等更远的星球采样返回，进入地球的速度会更快，中国积累多种返回技术，就可以提供更多选择。
要应付返回舱再入时因为速度过快而造成对的过度烧蚀，其实有多种不同方式。苏联的方案是将返回舱做成一个大球，直接插入大气层，用比较厚的隔热层，来抵抗高速带来的热流。这样导致返回器的防热层非常厚重，影响到当中月球土壤样品的承载量。根据资料，前苏联三次月球无人采样任务总共只采回301克的月壤。
第二种方案，是在返回舱的外形设计上下功夫。例如美国阿波罗飞船的锥体造型，这类造型能让返回舱拥有一定的升力，在大气层中飞行时可以通过自身系统调整姿势，从而调节升力，但这种方式同样需要相对较厚重的隔热层，令航太器重量变得非常大。
相比之下，嫦娥五号的“打水漂”方式就对载人任务更加有利。经过减速的返回舱在进入大气层时烧蚀会减轻，便可以将热盾做得更为轻薄，从而实现更大的承载力。
嫦娥五号任务创造了五个中国首次。一是在地外天体的采样和封装；二是地外天体上的点火起飞、精准入轨；三是月球轨道无人交会对接和样品转移；四是携带月球样品以近第二宇宙速度再入返回；五是建立中国月球样品的存储、分析和研究系统。嫦娥五号探月任务的成功实施，是中国航太事业发展中里程碑式的跨越。标志着中国具备了地月往返的能力，实现了“绕、落、回”散步规划走完美收官，也为中国未来月球与行星探测奠定坚实基础。
