大家都知道嫦娥五号探测器由轨道器、返回器、着陆器、上升器四部分组成,后续在经历地月转移、近月制动、环月飞行后,着陆器和上升器组合体将与轨道器和返回器组合体分离,轨道器携带返回器留轨运行,着陆器承载上升器择机实施月球正面预选区域软着陆,按计划开展月面自动采样 。
上升器携带样品从月球表面起飞,进入环月轨道后,会作为目标飞行器与轨道器和返回器组合体进行对接。着陆器携带上升器降落月球表面后,留在月球。上升器与轨道器、返回器组合体对接后,将月球样品转移到返回器。随后,上升器再次分离,成为环月飞行的“卫星”。轨道器将会护送一程,最终,返回器独自携带样品返回地球。
由于距离遥远,太空中有没有大气层的阻力,所以返回器的速度会越来越快,如果不减速,进入大气层与大气剧烈摩擦,就有燃烧殆尽的风险。
那嫦娥五号探测器的返回舱是如何实现减速的呢?相信大家都知道,是通过“打水漂”的方式,进入大气层后弹出,再进入,那速度就慢下来很多。就像我们平时在水面玩“打水漂”游戏一样,石块第二次入水的速度,会比第一次入水明显速度减了很多。那究竟是什么原理使返回器或者石块分别从大气层和水面弹出来的呢?
2005年法国学者,在英国的杂志《流体力学》发表一篇文章,他们通过多次实验:圆形扁平的石块,以速度V入水,和水平面形成两个夹角α和β,当然石块入水的过程中还要有个自转的速度ω(如图)。最后得出以下结论:
打水漂的最优方式:
1、石块必须自转,才能使石块方向保持不变,更稳定,弹跳次数更多,并减少消耗的动能。这是陀螺效应,陀螺在转动的时候才不容易倒。
2、当α≈20°,β≈20°时,石块在水面上弹跳的次数最多,这就是打水漂的“黄金角度”。
石块的减速和弹跳:
石块入水时,石块下面那片区域水的速度变大,压强变小,相对来说其他区域水的速度变小,压强变大,在这种情况下会产生一个垂直于石块表面的合力 F。从力学的角度上来分析,合力F会分解成水平和垂直的两个力Fx和Fy,Fx会让石块减速,Fy会让石块从水面下弹出来,再次入水。所以,石块就实现了减速和弹跳了。
而这篇文章还给了一个公式:
(F为合力;ρ为水的密度;V为石块入水的速度;S为石块的面积)从上面的公式,可以看出:石块入水的速度越快,减速和弹跳的力就会越大。如果掌握以上几点,充分理解其背后的科学原理,那你基本上是打遍水漂界无敌手,赢到没朋友。
而“打水漂”的应用也不仅仅是这么简单。通过以上的分析,你明白嫦娥五号的返回器,是如何利用“打水漂”的方式,实现弹跳和减速的了吧。科学家们根据打水漂的实验结论,能更准确的模仿航天飞机的回收,据此更精确的设定航天器进入大气层的角度和速度,从而提高了回收成功率。
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