嫦娥|嫦娥“五姑娘”，如何回娘家？文章来自“科学大院”公众号

文章来自“科学大院”公众号作者：王柏懿
大年初二，出嫁的女儿是要带着礼品回娘家的。
而在去年12月17日凌晨，历经23天的奔波劳碌，嫦娥五号从月球上带回了“土特产”顺利回了“娘家” 。

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（图片来源：微博@涡轮喷气蛋）
那么，嫦娥五号是怎样回到娘家的？这里只谈谈返回器在距离地球5000公里处和轨道器分离后，返回着陆的冲刺之举。

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“嫦娥五号”从月面返回地面的轨迹示意图
01归心似箭，但也不可太快
嫦娥五号从月球返回时，进入地球大气层的初速度是10.9公里/秒，和飞离地球的第二宇宙速度只相差300米/秒。要想在到达地面时毫发无损，则它到达地面时的速度应当大体为零。所以，航天工程师的首要任务就是：千方百计把返回器再入地球大气层的飞行速度减下来。
如果是在弹道式轨道上完成这个减速过程，那么最大过载会有8-10倍重力加速度。在这样的过载下，如果航天器载有航天员，人的身体便会受到很大的损伤、甚至死亡；如果带有精密仪表或珍贵样品，它们的性能也可能会遭到影响或破坏。因此，不能采用弹道式的抛物线再入轨道，要设法增加轨道的长度，使过载减小到5倍重力加速度以下。出于这样的考虑， “跳跃式进入”模式便成为嫦娥五号返回方案的首选。

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“跳跃式进入”模式示意（图片来源：新华社）
02蹦蹦跳跳回娘家
这种“跳跃式”进入的学名是“弹道-升力式”进入，也有人称之为“半弹道跳跃式” 。具体到嫦娥五号的返回过程，返回器先在距离地面约120公里的大气层边缘处以小再入角第一次再入，然后就在地球引力作用下沿着抛物线弹道下落，并受到大气的阻力而不断减速。
在实施初次气动减速后，返回器在距离地面约60公里处向上跃起而跳出大气层，到达最高点之后，在地球引力的作用下开始逐渐下降并再次进入大气层。这时，返回器的再入速度已降为第一宇宙速度（7.9公里/秒）。
之后，返回器在大气层中实施二次气动减速，在降至距地面大约10公里高度时，降落伞顺利开伞，嫦娥五号终于在预定的区域——四子王旗顺利着陆。

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“嫦娥五号”返回器在内蒙古四子王旗安全着陆（图片来源：新华社）
问题来了：在没有发动机推动的情况下，返回器为何能在距离地面约60公里处“自动”跃起呢？这是因为，返回器在大气中飞行时会产生一定的升力。
尽管嫦娥五号返回器的形状不具备像飞机那样好的流线型，升阻比（飞行器在同一迎角下升力与阻力的比值，比值越大，飞行器爬升性能越高）在0.1到0.5之间。但就是凭借这一点点的升力，返回器开始爬升并“跃”出大气层。升阻比和返回器飞行攻角有一定的关系，只要调整返回器的姿态，就能够获得“跃起”所需的升力。
不难理解，这个“跳跃”动作是生死攸关的一跳——如果跳不起来， “嫦娥”就会一头栽下摔个粉身碎骨；如果跳过了， “嫦娥”就会逃离大气层而在太空里游荡，既回不了“娘家” ，也去不了“夫家” 。不少人把“半弹道跳跃式”再入称为“打水漂” 。但是严格地说， “嫦娥”是在“打气漂”！

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打水漂（图片来源：veer图库）
03凡人“打水漂” ，仙女“打气漂”
“打水漂”和“打气漂”在尺度上完全不可同日而语：目前世界上打水漂游戏的最高纪录是122米，而嫦娥五号打一个气漂就跳了大约2万公里。它首次再入大气层的位置是在南大西洋上空，然后划过印度洋的上空，飞跃4万里的路程，才到达位于内蒙古四子王旗的“娘家”地。
此外，从力学机制来讲，二者也是风马牛不相及：打水漂的石片是扁平形状，它的理想弹道角（入水速度方向与水平面的夹角，如图6的β）是20°左右，并且只能在水面上跳动，驱动力是石片和水的撞击力。而打气漂的“嫦娥”是钝头圆锥体，它的再入角在10°以内，它要在大气层内运动，其驱动力是大气对返回器产生的气动升力。