航天器和宇宙飞船 “打水漂”式再入轨道原理解析
2020年12月17日1时59分，“嫦娥五号”返回器带着从月球采集的月壤和进行航天育种的植物种子，在内蒙古四子王旗预定区域成功着陆。 航天器“打水漂”式再入轨道是怎样的经过？从力学角度来聊聊这件事情。
航天器“打水漂”式再入轨道
大家可能知道，再入航天器是完成航天任务以后重返地球的一种航天器。“再入”是空气动力学力学的一个学术名词，它是指航天器返回时进入大气层。这里的“再入”是相对于航天器发射时飞出大气层而言的。根据不同的任务使命，有两种再入方式:一是以导弹弹头为代表的弹道再入式，二是以载人飞船为代表的飞船再入式。第一种再入方式的显著特点是：再入角大(这里的术语“再入角”是航天器飞行轨道与地平面的夹角)，其轨迹为抛物线。抛物线式路线再入，消耗的时间和所经历的航程短，但是引起航天器减加速度和过载都很大，峰值加热率也高。第二种再入方式由于要考虑宇航员的承受能力(一般认为过载不能超过5倍重力加速度，即5g)，所以与弹道式再入相反：飞船以小再入角在大气层中经历较长的时间和路程，通过空气阻力缓慢地消耗其动能降低飞行高度，这样一来，减加速度和过载小了，但因路程远，时间长，虽然峰值加热率低，但总加热量并未降低。这两种再入方式，我国都已经有成功的范例，可惜仅限于环绕地球的第一宇宙速度(7.9千米/秒)的再入。
但是，这次“嫦娥五号”返回器从月地转移轨道进入地球大气层时，是带着第二宇宙速度(11.2千米/秒)过来的。虽然月壤和种子可以承受更高的重力加速度过载(>5g)，但如果是以弹道式进入地球稠密大气层，由于减加速度过大， 将会引起过高的热载荷，返回器周围的气体温度可能高达10000K，而且峰值加热率也会非常高。这样就需要增强返回器壳体结构和热防护层设计。如果采用飞船式再入，就像美国的阿波罗飞船那样，峰值加热率可能减小了，烧蚀防热层厚度也可能会有所减小，但是，由于再入时间长，总加热量并未减少，隔热层因而可能要增加。为了再入安全而大大增加防热结构，代价太大。再说，现在的“乘客”是物而不是人，这样做也实在没有必要。于是，轨道设计工程师想出了一个简单实用的“打水漂”或者说半弹道跳跃式的再入轨道。按照这一方案，以第二宇宙速度过来的返回器先以较小的再入角进入地球大气层，在相对稀薄的上层大气中飞行一段距离后，调整姿态使其产生升力，并凭借升力重新跳到大气层外。在这一过程中，由于空气阻力和重力的作用，将消耗掉返回器的大量动能，使其飞行速度降低下来，当其降到小于或等于第一宇宙速度(7.9千米/秒)而再次进入大气层时，工程师们就可以轻车熟路般地按中远程导弹弹头的再入方案，规划“嫦娥五号”返回器的回家方式了。因这一过程酷似用瓦片在池塘打水漂，因而被戏称为“打水漂”式再入。不过与弹头直接落地不同，为保护返回器及其载荷，在其离地10-12千米时打开降落伞，让其慢慢降落地面。
