作者：伊卡魯斯二號
鏈接：為何嫦娥五號選擇“太空打水漂”的返回方案？
來源：知乎
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地月的距離其實很遠，當探測器從月球返回的時候，幾乎是在垂直向著地球做自由落體，重力會不斷加速探測器，最終會把它加速到10.9KM/S的速度，比第二宇宙速度只差了300M/S（因為月球還在地球的引力範圍之內。在這個範圍之內，距離越遠，再入速度越快，但不會超過第二宇宙速度。但如果是來自引力範圍之外的天體（比如從繞日軌道返回），則必然會超過第二宇宙速度）
太空中沒有阻力，到了目的地怎麼停下來呢？對於月球，還可以用火箭強行消，畢竟它引力小、速度慢（環繞速度、公轉速度都僅1KM/S多一點）。
但對於地球這麼大引力的物體，就行不通了。化學火箭若想提供更大的速度增量，就必須增加燃料，可燃料本身又會增加死重。根據公式dV=Isp*g*ln(m/m1)，隨著速度增量的增加，火箭質量會指數倍地提升。如果你要留下足夠的燃料停下返回艙，那麼發射時的火箭質量將會達到長徵五號的數倍（不止兩倍），這是不可接受的。
好消息是，地球有大氣層，如果我們把月地返回軌道的近地點控制在大氣層內，那麼大氣阻力就能作用在返回艙上，把動能變成熱量帶走。如果我們能把進入大氣層的位置精確控制在一個叫“再入走廊”的範圍內，那麼大氣密度就能夠把返回艙減速到“地心引力始終大於返回艙繞地旋轉所需的向心力”，但又不至於直接對地撞下去。隨後，軌道半徑不斷降低——進入低空更稠密的大氣層中——接受更大過載地減速，最終就能停下來了。這就是彈道式再入。
然而，問題又來了。10.9KM/S的速度，已經遠遠超過了7.9KM/S的近地軌道再入速度，如果用彈道式再入，那麼巨大的過載和加熱，必然會損壞返回艙。基於同樣的理由，我們一般不會用火箭反推來消除這個速度差，那該怎麼辦呢？
大氣壓隨高度增加而減小
大氣層的絕大多數氣體都集中在地球表面2萬米以下的空間內，越往高空越稀薄。對於同一速度的物體，空氣越稀薄，所能產生的阻力越小。如果我們能夠讓探測器一直停留在高層大氣之中不落下來，那麼就可以慢慢減速、一點點釋放熱量。
地球上空100KM海拔的高度線，被稱為“卡門線”。在這條線以上，以軌道速度運行的物體無論如何都不能獲得比重力更大的升力，所以是失重的；在這條線以下，只要飛行器經過精心設計，就一定能夠在軌道速度讓升力高於重力。這樣的再入器可以像飛機一樣滑翔，這就是“升力再入”。
簡單粗暴的方式是加個翅膀，也就是航天飛機。但我們的返回艙是錐狀的，那怎麼產生升力呢？我們可以讓返回艙的重心偏移一些。這樣，隔熱罩就會與氣流產生一個攻角，將更多的氣流向下推，返回艙就獲得了一個向上的升力。如果我們還能人工控制重心的位置，那麼我們還能調節升力的方向，從而精確控制落點。不過這種再入雖有升力，卻比航天飛機等有翼航天器弱很多，在再入的絕大多數時間裡都無法與重力抗衡。我們把這種介於彈道再入與升力再入之間的方式，稱為“半彈道式再入”。
返回艙獲得升力
半彈道式再入延長了在大氣層內減速的時間，從而降低了過載和熱載。但是，延長時間，也會導致熱量持續在返回艙上堆積，從外向內不斷傳導。返回艙的隔熱罩厚度有限，如果持續不斷施加高溫，沒有散熱的機會，即使空氣稀薄、溫度相對較低，也遲早會被燒穿。
使用後的隔熱罩
有沒有辦法讓探測器在再入的過程中“休息”一下呢？
實現這一目的的方式，就是採用升/阻比更大外形的返回艙。比如更類似錐形的外形，可以有更大的隔熱罩面積，從而推動更多的空氣，產生更多的升力。升/阻比越高，同等阻力下產生的升力也越大。
對於同一升阻比的物體，空氣密度越高、流動速度越快，升力就越大。只要升阻比夠大，隨著高度的不斷降低，空氣密度越來越大，其升力會最終超過重力，把返回艙向上再次抬起。由於之前速度已經有所下降，所以返回艙抬起後不會進入軌道，而是會進入一條亞軌道，在稀薄的高層空氣中飛過一條弧線，然後再次落入稠密大氣之中。
返回艙第一次再入時必須精確對準再入走廊，不能高也不能低，就像你打水漂的時候，石頭出手的角度很重要。隨後，它會承受2.5G的加速度持續減速，直到軌跡被重新抬起。通過調整返回艙的再入攻角大小，我們可以控制抬軌跡被抬起的程度。
隨後，在高層大氣中，持續經歷僅0.05G的近似失重，把之前積累的熱量散發掉。直到重新向下落，然後再經歷一段2G加速度的黑障區，最終減速到終端速度，然後打開降落傘安全著陸。
需要注意的是，“跳躍式再入”必須和另一種被俗稱“打水漂”的“大氣制動”區分開，因為它們並不是一回事。
大氣制動是在近地點利用高層大氣的阻力，把探測器從逃逸軌道減速到捕獲軌道，然後再不斷降低其遠地點，最終達到軌道正圓化的一種技術。這種探測器也會在進入大氣層後重新向上脫離大氣層，但這完全不是源自升力，而是因為它們切入大氣層的角度本來就在“再入走廊”的上方，大氣過於稀薄，並不足以消除其水平速度，探測器始終都沒有脫離過軌道，它只是在沿著星球的切線方向穿過大氣層，看起來像是打了個水漂而已。
區別“跳躍式再入”與“大氣制動”的最主要特徵，就是看物體是否還留在軌道上。
在火星嘗試大氣制動示意圖（綠點為火星，紫色線條是軌道）
地球大氣過於稠密，目前還沒有國家在地球試驗過大氣制動。只有美國在火星嘗試過。我國至今未實現過大氣制動，但我國早就已經掌握了跳躍式再入的技術。
早在2014年，我國就已經用T1試驗器，飛過一次地月自由返回軌道（飛到月球，利用月球引力掉個頭，回到地球），並用跳躍式再入，成功著陸了一個神舟飛船的縮小版返回艙。
T1試驗器由長三丙火箭在西昌發射
T1試驗器飛掠月球背面，利用月球引力掉頭返回地球
T1試驗器是由一個類似於嫦娥一號的母體，和一個縮小版的神舟返回艙組成的
不知道有沒有人注意到，這種再入方式，可以讓物體在水平方向上運動更長的距離？那你想到它還有其他的什麼用途了嗎？
彈道導彈是一種亞軌道飛行器。每個擁有彈道導彈的國家，都希望導彈能打得更遠，威懾更多的外國。通常彈道導彈飛行的距離完全要依靠火箭關機時的初速度，打得越遠，火箭燃料就得越多，造成質量的浪費。有什麼辦法可以少用一些燃料，把彈頭打得更遠呢？簡單！給彈頭裝個翅膀不就行了？然後，彈頭就變成了這個樣子：
這種有升力的彈頭，在再入過程中，會維持在高層大氣中彈跳數次，不會落下來，直到速度耗盡為止。這個過程中它會在水平方向滑出相當遠的距離。不僅如此，有升力的彈頭，還能實現自主控制，飛出曲線，規避敵方的攔截導彈。
來源：知乎
編輯：zhenni
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