嫦娥五号拍到阿波罗登月痕迹：嫦娥五号打水漂

嫦娥五号拍到阿波罗登月痕迹：嫦娥五号打水漂空气对于航天器主要有两方面的影响：一是阻力，你的速度越快，空气阻力就越大，减速越快过载就越大；二是与空气摩擦会产生热，同样也是速度越快发热量越大。空气阻力、发热量与速度的平方成正比关系，所以我们一方面需要把速度降下来，同时避免船被烧毁，人还得活下来。地球有厚厚的大气层，在距离地面100公里的高空尽管空气极其稀薄，但对于高速飞行的航天器来说它的作用已经不可忽视了。你可能注意到了，嫦娥五号去月球的时候，它的着陆器是直接降落在月面上的，不需要“打水漂”，也没法打，因为月球表面没有空气。另一个原因是，当嫦娥到达月球轨道时，它的速度已经很低了，月球的逃逸速度是2.38公里/秒，超过这个速度飞船就飞走了。但当嫦娥从月球回到地球就不一样，在地球的强大引力下嫦娥会一路加速，在到达地球时它的速度会接近11.2公里/秒（第二宇宙速度）。以这个速度闯入大气层的后果是灾难性的，如果是载人飞船，大概率船毁人亡。返回

万众瞩目“打水漂”

嫦娥五号在亿万人的瞩目中返回地球，在落地之前，它会在大气层打个“水漂”。许多人产生疑问，为什么航天器不直接降落到地面，而偏要在大气层上面跳几下，如果不是“多此一举”，难道这背后有什么深意吗？

嫦娥五号再入大气层的弹道

有好事者说，这是在验证“钱学森弹道”，为以后的军事斗争作技术准备；还有人说这是嫦娥五号做高空机动，防止有国家拦截我们从月球带回的宝贝。其实这些说法都不对，“打水漂”是嫦娥五号从月球返回时要验证的一项的基本技能，以后会经常用，并且这项技能也不是嫦娥第一个用，当初美国阿波罗11号飞船就是碰巧打着水漂回到地球的。

阿波罗11号返回轨迹模拟图

为什么不直接降落？

你可能注意到了，嫦娥五号去月球的时候，它的着陆器是直接降落在月面上的，不需要“打水漂”，也没法打，因为月球表面没有空气。另一个原因是，当嫦娥到达月球轨道时，它的速度已经很低了，月球的逃逸速度是2.38公里/秒，超过这个速度飞船就飞走了。

但当嫦娥从月球回到地球就不一样，在地球的强大引力下嫦娥会一路加速，在到达地球时它的速度会接近11.2公里/秒（第二宇宙速度）。以这个速度闯入大气层的后果是灾难性的，如果是载人飞船，大概率船毁人亡。

返回角度不对会造成灾难性后果

地球有厚厚的大气层，在距离地面100公里的高空尽管空气极其稀薄，但对于高速飞行的航天器来说它的作用已经不可忽视了。

空气对于航天器主要有两方面的影响：一是阻力，你的速度越快，空气阻力就越大，减速越快过载就越大；二是与空气摩擦会产生热，同样也是速度越快发热量越大。空气阻力、发热量与速度的平方成正比关系，所以我们一方面需要把速度降下来，同时避免船被烧毁，人还得活下来。

神舟十号返回，王亚平出舱

如何才能做到安全地减速呢？

有人说用火箭反推呀，这是个好主意，到达月球时就有个“刹车”动作，又叫近月制动。但问题是回地球时速度太快，刹车需要消耗大量燃料，无论是嫦娥五号还是之前的阿波罗飞船，它都没有空间携带几百上千吨燃料和强大的发动机，它还是需要依靠大气层来减速。

科学家将飞船返回舱的底部做成一个圆球面的盾，上半部分向内收拢成为锥体或者钟的形状。底面是一种复杂的防热结构，同时覆盖了烧蚀材料。这些烧蚀材料在受热时会燃烧，同时将热量散发到空气中。

阿波罗11号返回模拟图

阿波罗的好“运气”

在阿波罗11号飞船登月前，美国先是做了一系列的实验，包括阿波罗4号和6号无人飞船高速返回模拟最坏的情况。其中阿波罗4号计划用长而且平直的弹道，这样不利于散热但比较平稳；6号则以一个比较陡的角度冲入大气层，它记录的过载超过了宇航员承受的极限。结果是阿波罗4号在大气层中产生了一次“弹跳”，最后变成了“二次进入”。

“二次进入”并不是美国人的发明，早在1963年11月，英国的两个科学家L.F. Crabtree和D.H. Peckham就提出用这种办法使航天器减速并且达到散热的效果，同时宇航员也能承受其过载。

通过调整下降攻角完成大气层弹跳

从NASA后来公开的阿波罗飞行计划数据看，阿波罗4号的打水漂并非有意为之，并且阿波罗11号同样在大气层“Duang”那么一下也有运气的成分（它的飞行计划里也只有一个过载峰值）。

阿波罗飞行计划中没有两次过载，因此没有设计弹跳

阿波罗11号着陆前，预定着陆区天气不好，休斯顿临时决定改变返回舱的下降攻角，让它落到更远一些的备降着陆区。结果宇航员出舱后告诉他们过载没预想的大，感觉良好。尽管1968年NASA将这种降落方法描述为“大气层中的跳跃”，但后来阿波罗飞船的飞行表明这只是个“意外”，因为除阿波罗17号有记录到两次加速度“波峰”外，其它飞船返回时并没有试图再主动“打水漂”。

阿波罗4号下降轨迹以及记录的过载数据

NASA知道“打水漂”可以完美地解决减速与过载的矛盾，为什么他们不主动去做呢？因为运气只可能有一次，航天飞行是一门科学，你没办法次次去赌运气，并且阿波罗11号的运气实在是太多了，天知道下一次会怎么样？

阿波罗11号有太多的“好运气”

为什么嫦娥五号要做？

嫦娥五号返回器结构很简单，它的使命很单一，就是携带月壤返回地球。这东西是摔不坏的，也不怕什么过载，只要把防热做到位直接返回就好了，为什么中国科学家要“自找麻烦”选择“打水漂”呢？

答案只有一个：嫦娥除了要将月壤带回，还要验证载人登月的整个过程，包括安全返回技术。

美国是首个将“打水漂”付诸实践的国家，但直到2011年NASA才有人将其定义为“二次进入”，认为这是载人登月飞船最安全的返回方法。所有阿波罗报告中对大气返回过程都语焉不详，为什么会这样？因为它说起来容易，做起来实在太难了！

对于航天器而言，地球的大气层极薄，入射角度要求极高

大气层没有明确的边界，我们将100公里高度定义为大气边缘，阿波罗4号和11号也是在这里完成的弹跳，但如果你从整个地球的角度看大气层，它就实在是太薄了。“打水漂”对航天器的入射角度上下限要求极度严苛，航天器的攻角往上偏一点点飞船就“弹”飞到太空再也回不来，往下一点点就是在赌宇航员的命。在那个弹道计算机性能还不如今天计算器的年代，最明智的做法就是老老实实硬闯，让宇航员去承受长时间高过载的煎熬。

总有人把“我们落后不止50年”挂在嘴边，他们看不到科技工作者的努力付出。早在2014年，嫦娥五号的先导型号“嫦娥五号-t1”实验器就已经用“打水漂”的方式成功返回，我们有信心嫦娥五号也能准确落地，圆满收官。

嫦娥五号-t1成功着陆

关于载人飞船是怎么返回的，请移步浏览我的文章 载人飞船返回舱是如何保持大头朝下不翻船的？

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