嫦娥|嫦娥“五姑娘”，如何回娘家？( 二 ) 文章来自“科学大院”公众号

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碟形鹅卵石打水漂的力学模型及分析
那么，返回器在“打气漂”过程中是如何制动减速的呢？高速空气动力学知识告诉我们，以超声速运动的飞行器前方都会形成激波（强压缩波），激波强度越大，波后的速度越低，压力和温度越高。

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脱体激波（左）（图片来源：科技日报）

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脱体机波和附体机波（图片来源：科技日报）
激波可以分为脱体激波与附体激波。脱体激波只出现在钝头的超声速飞行器前方，且强度比附体激波大得多， “制动”能力也更强。采用球冠倒锥形设计的嫦娥五号返回器前方会出现脱体激波，其“波阻”很大，在脱体的弓形激波后方，气流的速度已经降为亚声速，甚至还存在一个“驻点” ，那里的气流完全迟滞下来了速度变为零。在空气动力学中，这种在飞行器前方的脱体激波也称作“头激波” 。
除了承受波阻以外，返回器还承受边界层（紧贴飞行器表面的薄薄一层流动区域）的“摩阻” 。在波阻和摩阻的共同作用下，返回器的再入飞行速度便能够显著减小。

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球冠倒锥形钝头返回器的再入流谱
然而，这种“制动”机制的副作用也很显著：因为气体的动能都变成了内能（热），头激波后方气流的温度大大增加。这导致球冠迎风面处的温度高达数千度。目前，没有一种金属结构材料能够承受这个温度，也即是所谓的“热障”问题。观看航天返回器再入实况转播时，我们都会看到在稠密大气层中，它像一团火球急促地下落着， “热障”问题的严重性可见一斑。

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再入大气层期间返回器像一团火球（图片来源：中国空间技术研究院）
04回家心急如焚？平平安安才是真
为了让嫦娥五号安全回娘家，攻克“热障”问题便成为航天专家的一项使命。经过长期研究，他们制定出一种“以毒攻毒”的策略——烧蚀防热。
“烧蚀防热”是指，利用某种耐烧的材料（例如，炭化烧蚀材料）做成蒙在返回器外面的防热层，它在高温下会烧蚀掉一部分，但与此同时，也吸收了大量的气体热量，返回器内部结构也就不再承受巨大的加热，便可以安全回到娘家。

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（图片来源：微博@涡轮喷气蛋）
嫦娥五号回娘家返回的另一难关是“黑障” 。它和“热障”是一对难兄难弟，主要是指发生在35-80公里高程处较为稠密的大气层中，飞行器与地面通信联络严重失效，甚至完全中断的现象。
这是由于，在高温的作用下，返回器周围空气中的分子发生了电离形成了“等离子体”（自由电子和正离子集合体，其中电子和正离子的数量相等），也即是包围飞行器的“等离子体鞘套” 。其中的自由电子会和测控无线电波发生相互作用，使得穿过等离子体鞘套的电波大大衰减，当无线电波被完全被等离子体鞘套截止时，就会产生所谓的“通讯中断”或“黑障”现象。而嫦娥五号需要在“黑障”区内，调整返回器姿态产生升力完成跳跃。看似只有短暂的3分钟，测控的难度却超乎想象。怎么办？为了保证这次探月活动成功，我们派出“远望3号”停泊在印度洋深处，为嫦娥五号保驾护航。

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“远望3号”装备了多种测控设备（图片来源：新华社）
“远望3号”船上装备了S频段测控设备，在返回器进入“黑障”前短暂的100秒窗口内，提前发出了调姿指令。此外，船上的光电经纬仪承担能够对返回器进行光学跟踪，单脉冲雷达则接受“等离子体鞘套”的反射信号，它们共同负责返回器的目标搜索、捕获及跟踪任务。通过这些“神器” ， “远望3号”像在黑暗中放风筝一样，紧紧牵着嫦娥五号回到了娘家。
嫦娥五号回娘家的路上可谓充满艰难险阻。即便如此，航天专家们还是克服重重技术难关，让“可上九天揽月”的梦想成为现实，也为我国探月工程四期和行星探测工程的接续实施铺垫基石。大年初二的这一天，也许你选择了不回家。但没有关系，无论身处星辰大海，还是迢遥远方，这个春节在外的游子们，终究能如嫦娥五姑娘一样，回到她心心念念的家。