微信号：小火箭

微信ID：ixiaohuojian

小火箭出品

本文作者：邢强博士

春节将至，就在大家准备了好心情来迎接她的时候，从中国航天科技集团中传来了锦上添花的好消息：承担我国探月工程“绕、落、回”三步走中最后一步任务的嫦娥五号探测器，已赶在春节假期来临之前完成了着陆器推进子系统的正样热试车，标志着嫦娥五号研制工作中的关键一步取得成功。

中国月球探测器嫦娥五号的研制工作目前正进行探测器正样阶段的最后冲刺，开展总装测试阶段各项相关工作。

小火箭在这里向春节期间依然坚守在科研第一线的研究生、工程师和科学家致敬。

8.2吨重的嫦娥五号将在今年（预计2017年11月底）择机由我国目前推力最大的长征五号运载火箭从中国海南文昌航天发射基地进行发射。小火箭在此预祝一切顺利！

1.漂泊在外 期盼回家

自1957年人类将第一颗人造地球卫星送入轨道以来，航天技术稳健又快速地向前发展着。如今，人们已经在详细计划着重返月球、登陆小行星和登陆火星的计划。但是，在由近地轨道向深空迈进的过程中，人们逐渐发现深空探测的难点不仅仅在于怎样闯出去，还在于如何安全地返回。

毕竟，我们这个时代的太空，还没有漂浮着一个真正拥有强大科研能力和补给能力的空间站，用于采样的深空探测器的每一次出发都像是一名游子的外出，求学若渴的心灵在体会到知识的奥妙之后，总是盼望着回到那个令他魂牵梦绕的家园。

2.归去 哪怕荆棘满路

家，是温暖的港湾。但是对于深空探测器来说，漫漫的回家之路却总是充满了艰险。

首先，深空探测器要面临的是返回再入角（航天器返回大气层时在再入点处速度方向和地平面之间的夹角）的精确控制问题。对于在近地轨道绕地球运行的飞船进行返回的再入角问题，大家已经讨论得很多了，当再入角过大的时候，飞船进入大气层的速度太快，导致飞船无法承受过于严酷的再入环境而损毁，而当再入角过小的时候，飞船会与地球擦肩而过，被“弹回”宇宙空间，无法返回地面。

通常，近地轨道再入飞船的再入速度在第一宇宙速度附近（约7.9公里/秒），其再入角的误差不能超过1°，而深空探测器从更高更远的地方回家，其“掉落”到地球附近的速度比近地轨道飞船的速度要大得多，大约在第二宇宙速度附近（约11.2公里/秒），这就对再入角的精度提出了更高的要求，并且深空探测器在返回的时候，已经在漫长的征程中耗尽了体力，在返回过程中的控制能力严重不足。

通常，深空探测器的返回再入角的误差在±0.2°左右。如果把地球比作一个篮球的话，以标准篮球24.6厘米的直径来计算，深空探测器的再入走廊单侧宽度为400微米左右，小于身份证的厚度，跟纸片在一个量级。

其次，深空探测器要闯过大气层气动加热这条难关。高速飞行物的气动加热温度与其飞行速度的3.15次方成正比。因此，深空探测器的返回温度将会是近地轨道返回飞船的3.13倍。这个温度差别比小火慢炖和大火爆炒之间的差别还要大很多。

当我们看到返回飞船外表的烧蚀情况时，就可以想见探测器将会面临怎样的火的考验了。

苏联的“探测器5号”绕月返回飞行器率先尝试了这条道路的艰辛。本着初生牛犊不怕虎的精神，她采用了类似近地轨道飞船直接再入大气的方式，并在稠密大气层打开减速伞来减速。经历了高达16g过载的极度剧烈的磨砺后，终于在离地7000米高度开伞成功，溅落在了印度洋里，其落点偏差达1000公里。上图为在印度洋中探测器5号，摄于1968年。

3.惊叹 战争中的黑科技

这张珍贵的历史照片是5位博士在一场小聚会上的合影。

从左至右：

奥伯特博士、欧根·桑格尔博士、艾琳·桑格尔-布瑞特博士（桑格尔博士的妻子）、苏联的谢多夫博士和奥伯特的学生冯·布劳恩博士。

奥伯特博士是世界公认的人类航天三大先驱之一，与齐奥尔科夫斯基和戈达德齐名，详见小火箭的公号文章《航天先驱奥伯特博士》。冯·布劳恩是德国V-2导弹的总设计师，同时也是美国航天事业的奠基人之一，详见小火箭的公号文章《红石导弹：美国导弹与航天工业的敲门砖》。而谢多夫博士则是苏联流体力学专家，后来担任了国际航天协会的主席。

本文谈到的技术的主角则是上面照片中间的那对夫妇。

时值二战后期，德国对美国的参战和欧洲第二战场的开辟感到压力山大。但是，苦于没有能够将炸弹投送到美国的载具，难以对美国本土构成威胁。（V-2导弹的最大有效射程仅为320公里。）

实际上，在V-2导弹诞生之前，桑格尔博士就提出了一个大胆的构想，并且几乎就快完成原理样机的制造了。

桑格尔博士设计的飞行器长这个样子。

而桑格尔博士提出的弹道则更是充满了黑科技的味道：不是V-1导弹那样的巡航导弹弹道，也不是V-2导弹那样的弹道导弹式的弹道，而是后来被人们说成是“打水漂”式的弹道。飞行器在稠密大气边界上下漂移，利用稠密大气与稀薄大气的密度的不同而带来的不同大小的动压，在多次弹跳中实现超远距离的飞行。上图取自桑格尔博士的原稿。

这是小火箭将桑格尔博士的弹道用蓝笔描粗的样子。

按照桑格尔博士设计的跳跃式弹道，从德国发射的飞行器以跳跃滑翔的方式，完全能够飞到美国，甚至能够远及南美洲。

这是桑格尔博士设计的飞行器用于风洞试验的模型。

可惜该计划为了给V-1导弹和V-2导弹让路，给硬生生地被取消了。

不过，桑格尔博士其实还是应该高兴的。在他研究跳跃式弹道的时候，身边一直有一位漂亮的女博士陪伴。她就是比桑格尔小6岁的艾琳博士。她对力学和电磁学都有深厚的造诣，对人类的冲压发动机技术有突出贡献，同时是少有的获得过奥伯特金质奖章的女性。

二战后，桑格尔夫妇继续进行物理学研究。图为桑格尔夫妇与阿瑟·克拉克一起讨论。

钱学森博士提出了“钱学森弹道”，也就是助推-滑翔式弹道。这是当年他向大家讲解如何用这种弹道从纽约飞到巴黎时的场景。

钱学森与桑格尔的弹道都有助于高超声速飞行器进行超远距离飞行。两种弹道的差别见小火箭画的上图。钱学森弹道以助推-滑翔为特点，强调滑翔段的稳定和优化，而桑格尔弹道则强调多次跳跃。

4. 跳跃 看我以柔克刚

艰险的回家之路挡不住人们探索深空的脚步，更挡不住探测器游子的归家之心。桑格尔夫妇从“打水漂”这个孩童时期经常玩的游戏中获得的灵感在今天已经不再用于战争，而是用于帮助深空探测器安全回家了。

让返回器在再入大气层之后，像水上的旋转石块那样弹跳起来，然后再次进入大气层，这时返回器的速度已经降低了不少，再入任务也就变得不那么危险了。上图取自桑格尔博士的文献原稿。

苏联的“探测器6号”是较早采用这种再入方式的返回器。下降到60公里高度后，借助大气的力量，弹入太空，接着再次进入大气，并逐渐减低飞行高度，在距离地面7500米的时候，其飞行速度仅余200米/秒。整个过程中，她经历的过载峰值为7g，不到“探测器5号”的一半，但是，其落点偏差仍达700公里以上。虽然她的这种再入方式对于深空探测具有里程碑式的意义，但是还是没能解决全部的深空再入难题。上图为探测器6号在1968年11月14日拍摄的月球照片。

美国的“阿波罗”系列飞船也采用了跳跃式的返回策略。以阿波罗11号飞船为例，她的再入速度达11.03公里/秒，在进入大气层后，距离地面55公里时开始跳跃，256秒后，飞船到达弹跳最高点，此时距地面67公里。在经过长达2780公里的大气层内再入旅途后，飞船的落点偏差为50公里，把跳跃式再入方式的落点精度问题解决了。

我国的“嫦娥”探月飞行器也采用了跳跃式的返回方式。相比苏联和美国当年的跳跃技术，嫦娥五号有着更先进的硬件设备，这使得她在弹道控制和飞行状态辨识方面有着更强大的计算能力。她的再入轨迹更加可控，将跳跃式再入推向了新的高度。

之前也有人写过跳跃式弹道，只是很少有人做相关的弹道计算。这里，小火箭给出了一个比较详细的算例，以便定量理解这种弹道。

接下来，我们搭乘跳跃式返回飞行器来一次回家之旅吧。（共5站）

第一站，再入初始点。这时飞行器以10.8公里/秒左右的速度进入119公里左右的大气层边界。在这个地方，大气密度还很稀薄，飞行器主要受到万有引力和科里奥利力等力的作用。我们能感受到飞行器把她的姿态调整为-5°至-8°左右，开始准备跳入大气层。

第二站，首次进入大气层。第一站的速度尚未有所减缓，我们就匆匆地进入了大气层。过了这个站台，飞行器的高度降到90公里以下，大气密度迅速增加，我们越来越能感受到空气阻力和气动加热的影响，剧烈地抖振似乎在所难免，4g到5g的过载让人感到略有不适。这时，飞行器处于制导最佳控制区，此时的飞行参数对最终目的地有着很大的影响。再入走廊的狭窄程度前所未有。好在飞行器的弹道计算机能够胜任这个艰巨的任务。过了这一站，飞行器一路下坠3万米，速度在第一宇宙速度附近。

第三站，跳出大气层。在这个时候，驾驶员又要提高注意力了。我们要把飞船的速度控制在6.0公里/秒到7.5公里/秒之间，速度过小，飞行器将无法跳起，速度过大飞行器将闯入茫茫太空，无法返回。看一下高度计，此时飞行器刚刚坠到80公里的高度，我们大概要在55公里高度之上完成起跳动作。飞行器的头部昂起，我们正在进行类似战斗机俯冲后向上拉起的机动动作。但是，战斗机的速度跟我们相比又算的了什么，我们此时的飞行速度可是在25马赫左右呢。不一会儿，大气层再次降到了我们脚下，我们沿着一条近似开普勒轨道的航迹平静地向前漂浮。

第四站到了，我们再次进入大气层。此时，飞行器的飞行特征已非常像近地轨道返回的飞船了。我们一边感受着不到3g的过载（比过山车的峰值过载还要小），一边感谢着跳跃式返回的成功，要知道一旦跳起失败，飞船以陡峭弹道再入大气层的话，我们要经受的峰值过载可达12g以上，那时候我们能否生还也未可知。

前方到达第五站，着陆场。在这次历时将近9小时39分钟的返回过程中，我们比直接弹道式返回多飞了1800公里，但是飞行器成功地借助大气层的作用把速度、过载和热流都控制在了适宜的范围内，可谓是做到了以柔克刚。

采用跳跃式返回策略的飞行器经受的峰值过载和最大热流分别是以陡峭弹道直接返回的飞行器的34%和81%左右，落点偏差由几百千米量级减小到了数千米量级，使深空探测器的载人返航变得安全可靠，为人类重返月球和奔向更高更远的深空提供了强有力的技术支持。

感谢大家对小火箭的支持！

版权声明：

本文已由邢强博士独家授权小火箭刊发，禁止非授权转载，欢迎朋友圈转发。

微信号：小火箭

微信ID：ixiaohuojian

 欢迎 加入 小火箭 ，进入航空航天大家庭！