刊登日期 : 2020-12-17
相信很多人都玩過「打水漂」遊戲，亦即是香港人所講的「片石仔」。找一片薄薄的石頭，放低身姿，將石頭斜貼著水面擲出，石頭在紮入水裏後又會快速躍出，回到空中，再紮入水裏，又回到空中，如此重複多次。今次嫦娥五號返回地球，也用了一個太空「打水漂」的方式進入大氣層，但這個「打水漂」的難度比遊戲難得多，當中就有一系列關鍵技術需要突破。
地球家門難入 高速與高溫成「攔路虎」
嫦娥五號選擇的「打水漂」返回方式，學名叫做「半彈道跳躍式再入」，是有別於美、蘇航天器的全新再入方式。採用「太空打水漂」的方式，可以讓嫦娥五號返回器在大氣層中的飛行和再次升高的過程中消耗足夠多的能量，從而把速度降下來，拉長航程，有利於保證返回器安全着陸。
地球和月球的距離其實比我們想像中的要遠，當航天器從月球返回的時候，幾乎是在垂直向着地球做自由落體，重力會令返回器不斷加速，最終把它加速到10.9公里每秒的速度，近乎第二宇宙速度。高速進入大氣層時將摩擦產生劇烈高溫，熱量急劇提升為航天器返回帶來巨大挑戰。因此要讓返回器安全順利返回地球，首要解決的兩大重要難題就是速度和溫度。
要讓航天器成功減速，是一個世界級的難題。在研究美、蘇經驗的基礎上，中國航太科技集團五院的軌道設計師們提出一個切合中國航天器實際情況的大膽方案，就是半彈道跳躍式再入返回。據嫦娥五號探測器總體主任設計師孟占峰介紹，返回器就像在太空中「打水漂」，先是高速進入大氣層，再借助大氣層提供的升力躍出大氣層，然後再以第一宇宙速度紮入大氣層，返回地面，整個過程環環相扣，在15分鐘內完成。返回器在大氣層中的飛行和再次升高的過程中可以消耗足夠多的能量，從而把速度降下來。
解決了高速問題，接下來便是「致命」的高溫問題。航天器被大氣層劇烈摩擦會產生極高溫的燒灼，再入速度每提高1倍，再入熱量就會提高8到9倍。如此高的溫度一旦傳入返回器內部，後果將不堪設想。為了放熱和對抗燒蝕，中國航太科技集團五院總體設計部團隊為嫦娥五號貼身訂造「防熱衣」。
首先，針對月球軌道返回熱環境、空間環境和重量的要求，科研人員提出了不同部位耐燒蝕和隔熱的具體需求與指標，從33種新研材料中篩選出了7種防熱材料，完成防熱材料的佈局和局部防熱結構設計，實現了中國由近地軌道再入到深空軌道再入的防熱結構設計跨越。
其次，科研人員提出了三維傳熱燒蝕分析方法，採用整體變厚度、變密度，分區域、偏軸設計方案，突破了輕量化設計關鍵技術，並利用一維燒蝕分析和三維溫度場分析相結合的數值分析方法，實現了用全面的局部燒蝕試驗代替整器燒蝕試驗。
相比發射升空，嫦娥五號如何安全回家的問題顯然更難。也只有攻克速度和高溫的難題，才能保證嫦娥五號返回艙安全返回地球，整個探月任務才能算是圓滿完成。
太空「打水漂」為未來載人登月奠定基礎
選擇「半彈道跳躍式再入」還有一個重要考量，便是為了兼顧長遠的深空探測目標，同時為中國將來的載人登月計劃奠定基礎。未來如果航天器從火星等更遠的星球採樣返回，進入地球的速度會更快，中國積累多種返回技術，就可以提供更多選擇。
要應付返回艙再入時因為速度過快而造成對的過度燒蝕，其實有多種不同方式。蘇聯的方案是將返回艙做成一個大球，直接插入大氣層，用比較厚的隔熱層，來抵抗高速帶來的熱流。這樣導致返回器的防熱層非常厚重，影響到當中月球土壤樣品的承載量。根據資料，前蘇聯三次月球無人採樣任務總共只採回301克的月壤。
第二種方案，是在返回艙的外形設計上下功夫。例如美國阿波羅飛船的錐體造型，這類造型能讓返回艙擁有一定的升力，在大氣層中飛行時可以通過自身系統調整姿勢，從而調節升力，但這種方式同樣需要相對較厚重的隔熱層，令航太器重量變得非常大。
相比之下，嫦娥五號的「打水漂」方式就對載人任務更加有利。經過減速的返回艙在進入大氣層時燒蝕會減輕，便可以將熱盾做得更為輕薄，從而實現更大的承載力。
嫦娥五號任務創造了五個中國首次。一是在地外天體的採樣和封裝；二是地外天體上的點火起飛、精準入軌；三是月球軌道無人交會對接和樣品轉移；四是攜帶月球樣品以近第二宇宙速度再入返回；五是建立中國月球樣品的存儲、分析和研究系統。嫦娥五號探月任務的成功實施，是中國航太事業發展中里程碑式的跨越。標誌着中國具備了地月往返的能力，實現了「繞、落、回」散步規劃走完美收官，也為中國未來月球與行星探測奠定堅實基礎。
