12月17日凌晨,我国嫦娥五号月球探测返回器携带着2公斤月球样品返回地区,并在内蒙古四子王旗预定区域成功着陆,圆满地完成了我国首次月球采样返回任务。标志着我国首次地外天体采样返回任务圆满结束。

嫦娥五号返回地球的程序是:首先装订返回的弹道参数,相当于给一枚太空中的洲际导弹输入瞄准数据,然后轨道器与返回器在南大西洋海域上空5000公里处正常解锁分离,轨道器继续绕地球飞行。返回器以弹道下落返回地球。在距离地面120公里时以接近第二宇宙速度(11.2公里/秒)高速进入地球大气层,像一颗弹头扎入大气层,随后进行初次气动减速。

嫦娥五号下降至预定高度后,返回器调整姿态,在气动作用下,再次向上跃出大气层,到达最高点后开始滑行下降,之后返回器再次进入大气层,实施二次气动减速。在地面10000米上空打开降落伞,缓缓落地。
这是一种“半弹道跳跃式返回”技术,是比航天员返回还要复杂的技术。这种跳跃式半弹道返回技术,类似于我们小时候玩的“打水漂”,当返回器进入大气层以后,在飞行时有一个向前的动量,同时还受重力的影响,返回器的遁形大底会向前下方压迫空气,这时候空气会给返回器一个向后上方的反作用力,就能让返回器向前上方弹起,飞出大气层,然后再次进入大气。

整个动作就像是“打水漂”。这种独特的航天器返回技术,主要原因是嫦娥5号以第二宇宙速度再入,速度太快,如果采用神州飞船那种普通弹道进入大气层,结构和防热系统的压力太大,容易烧毁嫦娥5号的返回器。如果采用半弹道式的跳跃技术,能将返回器的速度由11.2公里/秒的第二宇宙速度降至7.9公里/秒的第一宇宙速度以下,经过一次弹跳,返回器的速度就会大幅降下来,再进入大气层以后的过载就不会过大,温度也不会过高。这样返回器结构和防热设计都得到缓解,也使航程和落点达到理想的结果。

嫦娥5号并不是第一个采用半弹道跳跃式返回技术的航天器。早在1968年,苏联发射的月球探测器6号在完成绕月飞行后,就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,也采用了这种方式。
与直接弹道式返回技术相比,半弹道跳跃式返回技术比较复杂,涉及气动外形、防热材料、导航手段、降落伞、测控等大量环节。采用半弹道跳跃式再入方式,主要是为了将来进行载人深空探测任务做准备。嫦娥五号之所以要攻克“打水漂”的难题,就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。

“打水漂”式的半弹道跳跃式再入技术,通常应用于先进弹道导弹的突防技术。俄罗斯目前正在发展用于“亚尔斯”和“萨尔马特”洲际弹道导弹的机动突防战斗部。当导弹重新进入大气层后,再入飞行器(弹头)以滑翔弹道从100~30千米以上的高空跳跃式地飞向目标。弹头所具备的高速度、机动能力与非弹道轨道飞行相结合,将对导弹防御提出新的挑战。
刚刚服役的RS-26先锋高超音速武器,整套武器系统由YU71高超音速滑翔器和作为推进器的RS-19“三棱匕首”洲际导弹组成,突防性能与中国的东风-17差不多。先锋高超音速武器利用洲际导弹作为载体,先将滑翔器战斗部射向1000公里以上高度的弹道顶点,在然后释放滑翔器,下降突破大气层后,滑翔器在恰当的角度开始不断进行水漂机动,这种弹道相比现有的弹道导弹相比无法预测,更能够突破反导系统的拦截。

有人认为这种打水漂就是传说中的“钱学森-桑格尔弹道”。其实并不是。桑格弹道提出于上世纪30年代,桑格尔设想了一种由火箭推动的远程轰炸机,它先爬升到上百公里的临界空间(没有出大气层)然后向下俯冲,由于上下方的稠密空气形成的近似“水面”状态,轰炸机能在平流层弹跳着前进到很远的地方投弹,这就是著名的“桑格弹道”。其实桑格尔弹道并没有考虑大气层外的飞行。由于存在技术门槛,桑格的“水漂”轰炸机直到二战结束后也没搞出来。

这时,正在美国搞研究的科学家钱学森也提出了一种革新设想。钱学森提出制造一种火箭式飞机,先用火箭推送进入太空,然后再向下俯冲,到大气层100公里“卡门线”的下方进行滑翔前进,这样飞机可以在消耗很少燃料的情况下,从美国纽约一直滑翔到欧洲的巴黎。钱学森的这个设想被后人称为“钱学森弹道”。钱学森弹道主要是在大气层边缘滑行,桑格弹道更像是打水漂,但二者的速度都不高,“钱学森-桑格尔弹道”实际上是要研制一种高性能的飞机,并没有考虑弹道导弹或航天器。

在新世纪,弹道和航天器设计师借鉴“钱学森-桑格尔弹道”,开始对弹道导弹和航天器各种大气层内外的机动弹道进行探索。我国很多远程或洲际弹道导弹的先进战斗部也都具有跳跃式导弹突防能力,能够有效增加突破敌人反导系统的概率。“跳跃式弹道”具有极高的高机动性,能够在大气层内和大气层外连续弹跳,导致现有的反导技术很难兼顾大气层外和大气层内这两种不同的反导方式,极大地增加敌方反导系统的难度。

在去年国庆70周年大阅兵上,我国首次公开亮相了东风-17高超音速武器系统,其弹体助推器是一枚中程弹道导弹,战斗部是一个高超音速的“水漂弹”。相对于嫦娥5号返回器的跳跃式半弹道,东风-17的战斗部更厉害,靠自身的气的外形产生的升力以及控制系统的联合作用下,不仅能够连续多次“打水漂”,而且能够全程在大气层内以高超音速连续“打水漂”,而嫦娥5号的返回器只是打了一次水漂。
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