嫦娥回家——谈谈航天器的返回

万磁王

作者：晨枫

　　嫦娥三号在12月2日发射，14日在月球表面实现软着陆，把登月车送上了月球，这是1976年之后人类首次重返月球。12月24日，“嫦娥之父”、中国科学院院士叶培建做客科普讲座“珠江科学大讲堂”，谈到嫦娥五号的返回会有一个很大的创新。过去都是直接返回，这一次为了解决落点、着陆角以调整冲击力的问题，决定分离进入大气层后下降到60公里时不直接返回，而是再跃回到近地空间去，然后再返回大气层。“通过这个办法，……可以减少发热，减少着陆角等等，这种返回方式也将是我们的第一次试验。”叶建培也说明，为了增加可靠性，将先发射试验装置，这就是明年发射的嫦娥四号。嫦娥四号将向月球发射但不登月，返回器将用于试验滑翔-返回方式。

嫦娥三号发射成功，中国成功地把玉兔送上了月球。尽管现在玉兔出现了一点技术问题，但这是中国航天的可贵一步

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　　自从地理大发现以来，太空成为人类最后的边疆。但相比于把人送入太空，从太空安全返回是更大的挑战。在理论上，火箭推力可以把宇航天器送入太空，反推力也就可以使航天器减速到软着陆。但火箭发射是一个用动能换取位能的过程，返回自然就是用位能换取动能的过程。如果不考虑空气摩擦和燃料消耗的因素，在理论上，上升阶段的助推火箭的推力和燃烧时间该多大，纯粹用反推力软着陆的刹车火箭的推力和燃烧时间也就要多大，这自然是不现实的。航天器减速火箭的减速作用是有限的，只能将航天器的速度降低到不足以维持轨道运行的临界速度以下，以完成脱离地球轨道的动作，对再入后的减速没有作用。一般航天器采用弹道式再入加降落伞的方式。也就是说，像陨石一样在重力作用下自由下落，然后在稠密大气层内一定高度时打开降落伞，用气动阻力减速，实现软着陆。

发射成功只是一半，返回是更大的挑战。神舟返回是传统的弹道式返回

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　　在自由下落过程中，气动加热使航天器表面急剧升温。从减低气动阻力以减少气动加热的角度看，再入的航天器应该采用尖锐的头部。但理论计算和实验证明，再入过程中极高的速度使气动加热的升温速度太快，尖锐头部对减小气动加热的作用微乎其微，头锥受到在时间和空间上高度集中的热负荷，根本没有时间散热，将很快被烧毁。耐热材料或隔热、散热、导热技术只能略微推迟被烧毁的时机，但不能从根本上改变被烧毁的结局。1951年，美国NACA（NASA的前身）物理学家亨利艾伦在研究中发现，高速的航天器前端对空气产生强烈压缩，在前方大气中形成一个伞状的激波锥，激波前沿的空气密度急剧升高，实际上像一堵坚硬但移动的墙一样，航天器则在墙后的尾流中前行。由于和前方静态空气直接接触的是激波锥而不是航天器本身，气动加热主要由激波前沿和前方的静态空气之间的压缩和摩擦产生，热量也主要沿密度极高的激波锋面内部传导和耗散。如果航天器表面和激波锋面保持一定的距离，激波锋面和航天器表面之间的边界层实际上形成保护层，航天器本身承受的热负荷就要小很多。因此，亨利艾伦提出，航天器的头部应该是钝形，在艏部推出一个宽大和强烈的激波，并使波锋面远离航天器本体，就像平头的驳船船首推开的波浪一样，形成有效的热保护。实际数据表明，航天飞机再入段初期，圆钝的头锥前方几米外激波前沿的温度可达摄氏5300度，但航天飞机表面“仅仅”感受到1260度左右，说明了激波隔热的有效性。但这只解决了问题的一半。剩余的气动加热问题依然严重，需要用烧蚀型散热材料用时间换温升。

航天器返回时的气动升温是一个严峻的技术挑战

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　　但航天飞机实际是另一个思路：用大气层内的滑翔降落解决软着陆问题，但气动加热的问题更加棘手。急剧降低高度和减速将导致严重的瞬时气动加热，但速度和高度降不下来导致长时间滑翔则延长气动加热时间，引起累积蓄热问题。航天飞机再入后，不断横向滚转至90度，用主动丧失升力来降低高度，用增加迎角来降低速度。但横滚有自然的转弯倾向，所以航天飞机要时不时反向横滚一下，用S形航迹来保持基准航向。

航天飞机的滑翔返回是比宇宙飞船的弹道式返回更大的技术挑战

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　　但航天飞机的设计极富挑战。航天飞机的水平着陆是无动力的滑翔着陆。换句话说，航天飞机一旦脱离地球轨道、进入大气层，就是一锤子买卖，不可能复飞的，必须在指定地点降落下来。这要求航天飞机具有良好的升阻比，可以滑翔一定的距离，在滑翔中具有良好的操控，尤其要有良好的着陆操控性能。换句话说，应该采用具有较高升阻比的细长机翼。但是，航天飞机在返回大气层之初，速度可以高达24马赫，这样的高超音速要求采用阻力最小的升力体，也就是说，由扁平短拙、大后掠角的机体本身产生必要的升力，根本不用常规意义下的机翼。但折中都是有代价的，航天飞机的操纵特性据说和一块飞行的砖头差不多，而且返回时必须沿一条精细计算过的在瞬时气动加热和累计气动加热之间最小化的路径下滑，以最大限度地降低热负荷，使用要求非常高。

滑翔式的再入轨道是一个很小的窗口，既要避免“过度滑翔”早晨的累积气动加热过度，又要避免“过度减速”造成的瞬时增温失控

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　　嫦娥四号和五号则是采用弹道式再入和大气层内滑翔式再入之间的全新方式。这是在大气层边缘向打水漂一样用弹跳的方式滑翔再入。换句话说，在接近大气层的时候，用较小的角度进入，在大气层外缘“下沉”过程中，利用大气层和近地空间的空气密度差，产生强大的气动升力，把航天器弹跳出大气层。地球引力将使航天器再次回落，产生又一次弹跳。在此过程中，速度逐渐降低，直到不再有足够动能形成新的弹跳，而自由下落，返回地球。

返回轨道：a）弹道式，b）滑翔式（航天飞机），c）滑跃式（嫦娥五号）

在大气层边缘的滑跃式再入是另一个思路

这和前一张图是一个意思，但容易看出，第一次再入时的角度和速度决定了弹出时的角度和速度，而这决定了第二次大气层外弹道式飞行的距离和第二次再入的角度、速度

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　　这样做的好处是，每一次擦过大气层边缘的时候，气动加热的时间较短，返回寒冷的近地空间期间正好散热，这样可以大大降低返回期间气动加热积累的问题。在动能不足以继续弹跳时，可以近似为航天器从大气层边缘开始自由下落，这样的初始位能也较直接从外太空返回为低，同样有助于降低返回段热负荷问题。

　　应该注意的是，航天器在大气层边缘弹跳飞行时，升力的来源将不是常规的机翼，而是激波。返回时的高速足以产生一个强大的激波锥，这相当于一圈坚硬如铁的盾牌。有意思的是，这道盾牌在压缩前方空气时，不仅吸收气动加热，还产生压缩升力，好比滑水板在水面高速划过时产生的动浮力一样。控制航天器的姿态可以有效地改变激波的形状和迎角，进而改变升力的大小，控制反弹的力度；甚至可以产生侧向的升力，改变航向。随着动能在每一次弹跳中的消耗，航天器的迎角应该有所增加，以补偿升力的损失。最后速度降低到不足以维持强大激波锥的时候，也是该返回地球的时候了。

当然，要是速度足够，或者在弹出时有额外动力助推，还可以实现多次滑跃

　　但这样的大气层边缘的滑跳飞行的意义远远大于航天器返回。

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　　1933年，德国火箭科学家尤金·桑格尔提出火箭助推-大气层边缘跳跃飞行的概念。也就是说，火箭将载荷推出大气层之后，然后用类似嫦娥四号返回段弹跳轨迹的方式延长射程。桑格尔计算出，从德国发射导弹的话，需要三次跳跃就可达到美国东海岸。桑格尔弹道的特点是利用近地空间几乎真空的低阻力延长射程，但问题在于反弹的升力机制并不明确，弹道控制问题更是空白，即使最后实现，导弹也将豪无精度可言。

尤金·桑格尔

桑格尔的“银鸟”火箭动力高超音速轰炸机

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　　1948年钱学森在美国火箭年会上提出火箭助推-再入大气层滑翔机动飞行的概念。与桑格尔弹道不同的是，钱学森弹道进入大气层后，完全依靠大气层内的气动滑翔维持进一步飞行，实现更大的射程。这样的好处是保持了常规气动飞行器的气动控制和命中精度。在精确制导时代，这样的复合弹道更可以以弹道导弹为运载工具，把常规的反舰导弹运送到目标区，将其释放，然后转入常规的导弹攻击。弹道导弹的高速可以大大缩小目标的逃逸窗口，常规导弹则保证机动追击和精确命中。这种攻击方式对于航空母舰、两栖攻击舰、补给舰、舰队油船等行动相对笨拙的大型舰船特别有效，甚至在理论上还可以空空导弹为有效载荷，用于攻击预警机、加油机、运输机、电子战飞机等大型高亚音速飞机。相比之下，常规的超远程飞航式导弹的飞行时间太长，有很大的逃逸窗口或者拦截窗口，战术价值不高。钱学森弹道的难点在于再入初期，这一段高超音速、高热负荷的飞行大大超过常规导弹的工作范围，弹道导弹不可能在再入前释放常规导弹，在再入后也必须充分减速才能释放常规导弹，大大降低了钱学森弹道的优越性。

钱学森

桑格尔弹道用大气层外无空气阻力的弹道飞行最大限度地增加射程，钱学森弹道用大气层内的机动滑翔在增加射程的时候保证精度

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　　但是，把桑格尔弹道和钱学森弹道相结合，不仅可以大大延长射程，还有助于有效转接到大气层内常规导弹的工作条件。桑格尔弹道在最终自由下落时，速度和高度大大降低，使得释放适当改装的常规导弹成为可能。在洲际导弹的射程早已达到全球的情况下，大大延长射程依然是有重大意义的，这可以大大减小导弹的尺寸和重量，不仅降低成本，也有助于机动发射。更重要的是，这有助于把弹道导弹战术化。不难想象，中程弹道导弹以常规反舰导弹或者空空导弹为载荷的话，采用桑格尔-钱学森弹道之后，可以在几千公里的范围上对敌人的舰艇和飞机造成巨大的威胁。当然，在这样的距离上发现目标和指挥控制依然是巨大的挑战，但具有足够长的矛无论如何也是在这样的距离上形成有效打击能力的关键一步。

据说DF-21D用钱学森弹道增加射程和实现弹道导弹反舰，但与桑格尔弹道结合的话，不仅进一步增加射程，还大大提高飞行速度，增加拦截难度