像“嫦娥”5號那樣打水漂
藍天百家
作者：晨楓
削弱氣動加熱的新思路
相比於把人送入太空，如何讓人從太空安全返回是更大的挑戰。一般航天器都采用彈道式再入加降落傘的方式，也就是說，像隕石一樣在重力作用下自由下落，然後到稠密大氣層內一定高度時打開降落傘，用氣動阻力減速，實現軟著陸。在自由下落過程中，氣動加熱使航天器表麵急劇升溫。從降低氣動阻力以減少氣動加熱的角度看，再入的航天器應該采用尖銳的頭部。但理論計算和實驗證明，再入過程中極高的速度使氣動加熱的升溫速度太快，尖銳頭部對減小氣動加熱的作用微乎其微，頭錐受到在時間和空間上高度集中的熱負荷，根本沒有時間散熱，將很快被燒毀。耐熱材料或隔熱、散熱、導熱技術隻能略微推遲被燒毀的時間，但不能從根本上改變被燒毀的結局。1951年，美國NACA（NASA的前身）物理學家亨利·艾倫在研究中發現，高速的航天器前端對空氣產生強烈壓縮，在前方大氣中形成一個傘狀的激波錐，激波前沿的空氣密度急劇升高，實際上像一堵堅硬但移動的牆一樣，航天器則在牆後的尾流中前行。由於和前方靜態空氣直接接觸的是激波錐而不是航天器本身，氣動加熱主要由激波前沿和前方的靜態空氣之間的壓縮和摩擦產生，熱量也主要沿密度極高的激波鋒麵內部傳導和耗散。如果航天器表麵和激波鋒麵保持一定的距離，激波鋒麵和航天器表麵之間的邊界層實際上形成保護層，航天器本身承受的熱負荷就要小很多。因此，亨利·艾倫提出，航天器的頭部應該是鈍形，在艏部推出一個寬大和強烈的激波，並使波鋒麵遠離航天器本體，就像平頭的駁船船首推開的波浪一樣，形成有效的熱保護。實際數據表明，航天飛機再入段初期，圓鈍的頭錐前方幾米外激波前沿的溫度可達攝氏5 300度，但航天飛機表麵“僅僅”感受到1 260度左右，說明了激波隔熱的有效性。但這隻解決了問題的一半，剩餘的氣動加熱問題依然嚴重，需要用燒蝕型散熱材料，用時間換溫升。
但航天飛機實際是另一個思路：用大氣層內的滑翔降落解決軟著陸問題，但氣動加熱的問題更加棘手。急劇降低高度和減速將導致嚴重的瞬時氣動加熱，但速度和高度降不下來導致長時間滑翔則延長氣動加熱時間，引起累積蓄熱問題。航天飛機再入後，不斷橫向滾轉至90度，用主動喪失升力來降低高度，用增加迎角來降低速度。但橫滾有自然的轉彎傾向，所以航天飛機要時不時反向橫滾一下，用S形航跡來保持基準航向。
但航天飛機的設計極富挑戰。航天飛機的水平著陸是無動力的滑翔著陸。換句話說，航天飛機一旦脫離地球軌道、進入大氣層，就是一錘子買賣，不可能複飛的，必須在指定地點降落下來。這要求航天飛機具有良好的升阻比，可以滑翔一定的距離，且在滑翔中具有良好的操控，尤其要有良好的著陸操控性能。換句話說，應該采用具有較高升阻比的細長機翼。但是，航天飛機在返回大氣層之初，速度可以高達24馬赫，這樣的高超聲速要求采用阻力最小的升力體，也就是說，由扁平短拙、大後掠角的機體本身產生必要的升力，根本不用常規意義下的機翼。但折中都是有代價的，航天飛機的操縱特性據說和一塊飛行的磚頭差不多，而且返回時必須沿一條精細計算過的在瞬時氣動加熱和累計氣動加熱之間最小化的路徑下滑，以最大限度地降低熱負荷，使用要求非常高。
“嫦娥”5號則是采用彈道式再入和大氣層內滑翔式再入之間的全新方式。這是在大氣層邊緣像打水漂一樣用彈跳的方式滑翔再入。換句話說，在接近大氣層的時候，用較小的角度進入，在大氣層外緣“下沉”過程中，利用大氣層和近地空間的空氣密度差，產生強大的氣動升力，讓航天器彈跳出大氣層。地球引力將使航天器再次回落，產生又一次彈跳。在此過程中，速度逐漸降低，直到不再有足夠動能形成新的彈跳，而自由下落，返回地球。這樣做的好處是，每一次擦過大氣層邊緣的時候，氣動加熱的時間較短，返回寒冷的近地空間期間正好散熱，這樣可以大大降低返回期間氣動加熱積累的問題。在動能不足以繼續彈跳時，可以近似為航天器從大氣層邊緣開始自由下落，這樣的初始位能也較直接從外太空返回為低，同樣有助於降低返回段熱負荷問題。
應該注意的是，航天器在大氣層邊緣彈跳飛行時，升力的來源將不是常規的機翼，而是激波。返回時的高速足以產生一個強大的激波錐，這相當於一圈堅硬如鐵的盾牌。有意思的是，這道盾牌在壓縮前方空氣時，不僅吸收氣動加熱，還產生壓縮升力，好比滑水板在水麵高速劃過時產生的動浮力一樣。控製航天器的姿態可以有效地改變激波的形狀和迎角，進而改變升力的大小，控製反彈的力度；甚至可以產生側向的升力，改變航向。隨著動能在每一次彈跳中的消耗，航天器的迎角應該有所增加，以補償升力的損失。最後速度降低到不足以維持強大激波錐的時候，也是該返回地球的時候了。