出发容易回家难，嫦娥五号为什么打个“水漂”才能到家？

嫦娥五号轨道器（黄色）携带返回器（白色）从月球返回，在地面5000公里上空分离，返回器返回地球（模拟图）。图/航天科技集团八院

　　12月17日凌晨，出发23天的嫦娥五号返回器着陆在内蒙古四子王旗着陆场，我国首次月球采样任务获得成功。

　　深夜苍穹中，嫦娥五号的回家之路蕴含着重重威胁：返回器能否准确回到着陆区域上空？降落伞能否准时打开并切断？在通信的“黑障区”，航天器能否作出自主判断？

　　最具不确定性的一环，是返回器将两次进入大气层，仿佛打了个水漂。这个“水漂”会不会让它滑得太远，以至于找不到家？

　　这个“水漂”学名是“半弹道跳跃式再入返回”，是比航天员返回还要复杂的技术。在嫦娥五号任务的尾声，这场太空“水漂”贡献了最后一幕惊险的表演。

　　地球家门难进

　　今天凌晨，在到达地球5000公里之外时，嫦娥五号的“快递小哥”轨道器与“月球快件”返回器分离，小小的返回器携带2千克月球样品，独自踏上回家路。

　　返回器以11.2公里/秒的第二宇宙速度急速冲向地球，在距离地面120公里高度，像一颗弹头扎入大气层。很快，借助大气层的升力，弹头又跃了出来，回到太空。到达最高点之后，再次下降，二度进入大气层。

　　一出一进，返回器慢了下来，从第二宇宙速度降到8公里/秒左右的第一宇宙速度。接下来，它跟以前的神舟飞船返回舱一样，一边穿越大气层一边减速，在地面十公里上空打开降落伞，缓缓坠地。

　　回收神舟飞船返回舱，四子王旗着陆场已经驾轻就熟，而这次回收，让着陆场面临新的难题。差别主要在于速度。

　　“神舟飞船从200公里左右的近地轨道返回，嫦娥五号则是从38万公里之外的月球飞回，速度要快得多。”航天技术专家、空气动力学家黄志澄告诉新京报记者，如果采用神舟飞船同样的防热技术和返回方式，一不小心，返回器可能会撞毁或者烧坏。

　　漫漫征途，不能在家门口摔倒。

　　安全返回，一直是嫦娥五号任务的几大难点之一。早在十年前嫦娥五号立项之初，航天专家就为此头疼。中国探月工程副总设计师于登云曾回忆，以王礼恒院士为代表的航天专家认为，嫦娥五号高速返回是我国首次尝试，与任务成败息息相关，如果不事先验证，风险是巨大的。

　　为此，在嫦娥一号到五号探测器之外，嫦娥工程中增加了唯一一次试验飞行任务，专门验证嫦娥五号的返回方案。这就是2014年实施的探月三期再入返回飞行试验器——“嫦娥-5T”任务。

　　“嫦娥-5T”当年没有落月，在月球飞了几圈之后便返回地球，重头戏是在地球大气层打个“水漂”，先降速再返回。

　　这种“半弹道跳跃式再入返回”技术方案，使结构和防热系统的压力都得到缓解，也使航程和落点达到理想的结果。这次，嫦娥五号返回器就是这么回来的。

探月三期再入返回飞行试验器返回过程和轨迹。图/《中国科学》杂志

　　“太空水漂”返回术

　　从月球高速返回，人类并没有多少可选的路径。要么“硬冲”，也就是弹道式再入；要么借助大气层摩擦力缓冲，先减一次速，也就是半弹道跳跃式再入。

　　苏联于1968年发射的探测器6号完成绕月飞行后，首次实现了跳跃式再入返回，随后美国阿波罗飞船带着航天员和样品返回时，也采用这种方式。而苏联的“月球”系列、 美国的“星尘”和“起源”，以及日本的“隼鸟”等无人深空探测器，采用了较简单的弹道式再入方式，也就是直接返回。

　　两种方式各有优劣。采用弹道式直接再入的返回舱，无法进行姿态和轨道的调节，对轨道设计、分离释放和落点预报能力要求很高；而半弹道跳跃式的返回舱比较灵活，但系统配置和制导控制方案更为复杂，质量也要大得多。

　　从全球来看，无人采样返回任务中两种方式都采用过，载人深空探测任务则采用半弹道跳跃式再入方式。

　　解决完返回方式的问题，嫦娥五号还需要应对一个致命的威胁——高温。

　　黄志澄告诉新京报记者，防热是这次返回中嫦娥五号面对的大难题。由于返回速度过高，若防热技术不过关，有可能在大气层高速摩擦中烧毁。另外，跳跃式再入方式使得防热结构表面经历高温、低温、再次高温的历程， 热冲击有可能导致防热层表面开裂。

　　防热设计有两个重要的目标：降低热流密度和总加热量。热流密度过大，可能烧穿返回器头部和一些部位。热流密度与半径的开方值成反比，也就是说，物体越小热流密度越大。此次嫦娥五号返回器比神舟返回舱小得多，只有后者的七分之一，降低热流密度难度陡增。而总加热量越大，防热系统就要设计得越厚、越重，为了给航天器减重，必须控制总加热量。

　　“另外，再入轨道和防热系统的设计，还要尽可能降低过载和提高落点精度。”黄志澄说。过载就是加速度，过载如果太大，不仅航天员的身体受不了，月壤在返回器内也可能受到影响。

嫦娥五号返回器再入大气层（模拟图）。图/航天科技集团八院

　　为载人登月练功夫

　　黄志澄认为，嫦娥五号之所以要攻克“打水漂”的难题，是为了兼顾长远目标，为未来更复杂的深空探测返回积累经验。“未来如果从火星等更远的星球采样返回，速度会更快，我们积累了多种返回技术，可以让未来有更多选择。”

　　此次嫦娥五号的任务，主要是完成月球采样返回。但其蕴含的多项技术创新，有着提前探路的考虑。比如，月球轨道上的交会对接，很可能就是载人登月交会对接的雏形。据官方介绍，嫦娥五号三大工程目标之一，就是为载人登月和深空探测奠定一定的人才、技术和物质基础。

　　于登云说，中国通过这次无人采样返回兼顾了两件事，这是中国方案最大的亮点。

　　嫦娥五号的返回，建立在我国近50年的航天器返回基础之上。中国最早的航天器返回始于上世纪60年代末的探空火箭，后来经历返回式卫星、飞船返回舱，技术一步步成熟。

　　未来，中国还将面临更复杂的返回任务。嫦娥一号卫星总设计师叶培建、嫦娥五号探测器总设计师杨孟飞等人曾在论文中提出，火星巡视探测、有大气天体的进入探测乃至载人登月等，都将面临进入和再入的难题。在深空探测再入返回和有大气天体进入技术方面， 我国还应继续深入开展研究，包括气动外形、防热材料、导航手段、降落伞、测控等环节。

　　“月球很特殊，表面没有大气，因此不存在进入的问题。但是未来探测器如果要进入有大气的星球，比如火星，在着陆时就会面临同样的考验。”黄志澄说，嫦娥五号的探索，让我们手握更多打开深空之门的钥匙。