戰爭黑科技的和平利用：探月飛船回家路

小火箭出品

本文作者：邢強博士

原文題目：戰爭黑科技的和平利用：探月飛船回家路

春節將至，就在大家準備了好心情來迎接她的時候，從中國航天科技集團中傳來了錦上添花的好消息：承擔我國探月工程「繞、落、回」三步走中最後一步任務的嫦娥五號探測器，已趕在春節假期來臨之前完成了著陸器推進子系統的正樣熱試車，標誌著嫦娥五號研製工作中的關鍵一步取得成功。

中國月球探測器嫦娥五號的研製工作目前正進行探測器正樣階段的最後衝刺，開展總裝測試階段各項相關工作。

小火箭在這裡向春節期間依然堅守在科研第一線的研究生、工程師和科學家致敬。

8.2噸重的嫦娥五號將在今年（預計2017年11月底）擇機由我國目前推力最大的長征五號運載火箭從中國海南文昌航天發射基地進行發射。小火箭在此預祝一切順利！

1.漂泊在外 期盼回家

自1957年人類將第一顆人造地球衛星送入軌道以來，航天技術穩健又快速地向前發展著。如今，人們已經在詳細計劃著重返月球、登陸小行星和登陸火星的計劃。但是，在由近地軌道向深空邁進的過程中，人們逐漸發現深空探測的難點不僅僅在於怎樣闖出去，還在於如何安全地返回。

畢竟，我們這個時代的太空，還沒有漂浮著一個真正擁有強大科研能力和補給能力的空間站，用於採樣的深空探測器的每一次出發都像是一名遊子的外出，求學若渴的心靈在體會到知識的奧妙之後，總是盼望著回到那個令他魂牽夢繞的家園。

2.歸去 哪怕荊棘滿路

家，是溫暖的港灣。但是對於深空探測器來說，漫漫的回家之路卻總是充滿了艱險。

首先，深空探測器要面臨的是返回再入角（航天器返回大氣層時在再入點處速度方向和地平面之間的夾角）的精確控制問題。對於在近地軌道繞地球運行的飛船進行返回的再入角問題，大家已經討論得很多了，當再入角過大的時候，飛船進入大氣層的速度太快，導致飛船無法承受過於嚴酷的再入環境而損毀，而當再入角過小的時候，飛船會與地球擦肩而過，被「彈回」宇宙空間，無法返回地面。

通常，近地軌道再入飛船的再入速度在第一宇宙速度附近（約7.9公里/秒），其再入角的誤差不能超過1°，而深空探測器從更高更遠的地方回家，其「掉落」到地球附近的速度比近地軌道飛船的速度要大得多，大約在第二宇宙速度附近（約11.2公里/秒），這就對再入角的精度提出了更高的要求，並且深空探測器在返回的時候，已經在漫長的征程中耗盡了體力，在返回過程中的控制能力嚴重不足。

通常，深空探測器的返回再入角的誤差在±0.2°左右。如果把地球比作一個籃球的話，以標準籃球24.6厘米的直徑來計算，深空探測器的再入走廊單側寬度為400微米左右，小於身份證的厚度，跟紙片在一個量級。

其次，深空探測器要闖過大氣層氣動加熱這條難關。高速飛行物的氣動加熱溫度與其飛行速度的3.15次方成正比。因此，深空探測器的返回溫度將會是近地軌道返回飛船的3.13倍。這個溫度差別比小火慢燉和大火爆炒之間的差別還要大很多。

當我們看到返回飛船外表的燒蝕情況時，就可以想見探測器將會面臨怎樣的火的考驗了。

蘇聯的「探測器5號」繞月返回飛行器率先嘗試了這條道路的艱辛。本著初生牛犢不怕虎的精神，她採用了類似近地軌道飛船直接再入大氣的方式，並在稠密大氣層打開減速傘來減速。經歷了高達16g過載的極度劇烈的磨礪後，終於在離地7000米高度開傘成功，濺落在了印度洋里，其落點偏差達1000公里。上圖為在印度洋中探測器5號，攝於1968年。

3.驚嘆 戰爭中的黑科技

這張珍貴的歷史照片是5位博士在一場小聚會上的合影。

從左至右：

奧伯特博士、歐根·桑格爾博士、艾琳·桑格爾-布瑞特博士（桑格爾博士的妻子）、蘇聯的謝多夫博士和奧伯特的學生馮·布勞恩博士。

奧伯特博士是世界公認的人類航天三大先驅之一，與齊奧爾科夫斯基和戈達德齊名，詳見小火箭的公號文章《航天先驅奧伯特博士》。馮·布勞恩是德國V-2導彈的總設計師，同時也是美國航天事業的奠基人之一，詳見小火箭的公號文章《紅石導彈：美國導彈與航天工業的敲門磚》。而謝多夫博士則是蘇聯流體力學專家，後來擔任了國際航天協會的主席。

本文談到的技術的主角則是上面照片中間的那對夫婦。

時值二戰後期，德國對美國的參戰和歐洲第二戰場的開闢感到壓力山大。但是，苦於沒有能夠將炸彈投送到美國的載具，難以對美國本土構成威脅。（V-2導彈的最大有效射程僅為320公里。）

實際上，在V-2導彈誕生之前，桑格爾博士就提出了一個大膽的構想，並且幾乎就快完成原理樣機的製造了。

桑格爾博士設計的飛行器長這個樣子。

而桑格爾博士提出的彈道則更是充滿了黑科技的味道：不是V-1導彈那樣的巡航導彈彈道，也不是V-2導彈那樣的彈道導彈式的彈道，而是後來被人們說成是「打水漂」式的彈道。飛行器在稠密大氣邊界上下漂移，利用稠密大氣與稀薄大氣的密度的不同而帶來的不同大小的動壓，在多次彈跳中實現超遠距離的飛行。上圖取自桑格爾博士的原稿。

這是小火箭將桑格爾博士的彈道用藍筆描粗的樣子。

按照桑格爾博士設計的跳躍式彈道，從德國發射的飛行器以跳躍滑翔的方式，完全能夠飛到美國，甚至能夠遠及南美洲。

這是桑格爾博士設計的飛行器用於風洞試驗的模型。

可惜該計劃為了給V-1導彈和V-2導彈讓路，給硬生生地被取消了。

不過，桑格爾博士其實還是應該高興的。在他研究跳躍式彈道的時候，身邊一直有一位漂亮的女博士陪伴。她就是比桑格爾小6歲的艾琳博士。她對力學和電磁學都有深厚的造詣，對人類的衝壓發動機技術有突出貢獻，同時是少有的獲得過奧伯特金質獎章的女性。

二戰後，桑格爾夫婦繼續進行物理學研究。圖為桑格爾夫婦與阿瑟·克拉克一起討論。

錢學森博士提出了「錢學森彈道」，也就是助推-滑翔式彈道。這是當年他向大家講解如何用這種彈道從紐約飛到巴黎時的場景。

錢學森與桑格爾的彈道都有助於高超聲速飛行器進行超遠距離飛行。兩種彈道的差別見小火箭畫的上圖。錢學森彈道以助推-滑翔為特點，強調滑翔段的穩定和優化，而桑格爾彈道則強調多次跳躍。

4. 跳躍 看我以柔克剛

艱險的回家之路擋不住人們探索深空的腳步，更擋不住探測器遊子的歸家之心。桑格爾夫婦從「打水漂」這個孩童時期經常玩的遊戲中獲得的靈感在今天已經不再用於戰爭，而是用於幫助深空探測器安全回家了。

讓返回器在再入大氣層之後，像水上的旋轉石塊那樣彈跳起來，然後再次進入大氣層，這時返回器的速度已經降低了不少，再入任務也就變得不那麼危險了。上圖取自桑格爾博士的文獻原稿。

蘇聯的「探測器6號」是較早採用這種再入方式的返回器。下降到60公里高度後，藉助大氣的力量，彈入太空，接著再次進入大氣，並逐漸減低飛行高度，在距離地面7500米的時候，其飛行速度僅餘200米/秒。整個過程中，她經歷的過載峰值為7g，不到「探測器5號」的一半，但是，其落點偏差仍達700公里以上。雖然她的這種再入方式對於深空探測具有里程碑式的意義，但是還是沒能解決全部的深空再入難題。上圖為探測器6號在1968年11月14日拍攝的月球照片。

美國的「阿波羅」系列飛船也採用了跳躍式的返回策略。以阿波羅11號飛船為例，她的再入速度達11.03公里/秒，在進入大氣層後，距離地面55公里時開始跳躍，256秒後，飛船到達彈跳最高點，此時距地面67公里。在經過長達2780公里的大氣層內再入旅途後，飛船的落點偏差為50公里，把跳躍式再入方式的落點精度問題解決了。

我國的「嫦娥」探月飛行器也採用了跳躍式的返回方式。相比蘇聯和美國當年的跳躍技術，嫦娥五號有著更先進的硬體設備，這使得她在彈道控制和飛行狀態辨識方面有著更強大的計算能力。她的再入軌跡更加可控，將跳躍式再入推向了新的高度。

之前也有人寫過跳躍式彈道，只是很少有人做相關的彈道計算。這裡，小火箭給出了一個比較詳細的算例，以便定量理解這種彈道。

接下來，我們搭乘跳躍式返回飛行器來一次回家之旅吧。（共5站）

第一站，再入初始點。這時飛行器以10.8公里/秒左右的速度進入119公里左右的大氣層邊界。在這個地方，大氣密度還很稀薄，飛行器主要受到萬有引力和科里奧利力等力的作用。我們能感受到飛行器把她的姿態調整為-5°至-8°左右，開始準備跳入大氣層。

第二站，首次進入大氣層。第一站的速度尚未有所減緩，我們就匆匆地進入了大氣層。過了這個站台，飛行器的高度降到90公里以下，大氣密度迅速增加，我們越來越能感受到空氣阻力和氣動加熱的影響，劇烈地抖振似乎在所難免，4g到5g的過載讓人感到略有不適。這時，飛行器處於制導最佳控制區，此時的飛行參數對最終目的地有著很大的影響。再入走廊的狹窄程度前所未有。好在飛行器的彈道計算機能夠勝任這個艱巨的任務。過了這一站，飛行器一路下墜3萬米，速度在第一宇宙速度附近。

第三站，跳出大氣層。在這個時候，駕駛員又要提高注意力了。我們要把飛船的速度控制在6.0公里/秒到7.5公里/秒之間，速度過小，飛行器將無法跳起，速度過大飛行器將闖入茫茫太空，無法返回。看一下高度計，此時飛行器剛剛墜到80公里的高度，我們大概要在55公里高度之上完成起跳動作。飛行器的頭部昂起，我們正在進行類似戰鬥機俯衝後向上拉起的機動動作。但是，戰鬥機的速度跟我們相比又算的了什麼，我們此時的飛行速度可是在25馬赫左右呢。不一會兒，大氣層再次降到了我們腳下，我們沿著一條近似開普勒軌道的航跡平靜地向前漂浮。

第四站到了，我們再次進入大氣層。此時，飛行器的飛行特徵已非常像近地軌道返回的飛船了。我們一邊感受著不到3g的過載（比過山車的峰值過載還要小），一邊感謝著跳躍式返回的成功，要知道一旦跳起失敗，飛船以陡峭彈道再入大氣層的話，我們要經受的峰值過載可達12g以上，那時候我們能否生還也未可知。

前方到達第五站，著陸場。在這次歷時將近9小時39分鐘的返回過程中，我們比直接彈道式返回多飛了1800公里，但是飛行器成功地藉助大氣層的作用把速度、過載和熱流都控制在了適宜的範圍內，可謂是做到了以柔克剛。

採用跳躍式返回策略的飛行器經受的峰值過載和最大熱流分別是以陡峭彈道直接返回的飛行器的34%和81%左右，落點偏差由幾百千米量級減小到了數千米量級，使深空探測器的載人返航變得安全可靠，為人類重返月球和奔向更高更遠的深空提供了強有力的技術支持。

感謝大家對小火箭的支持！

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