嫦娥六号回地球的打水漂绝技,中国用在了高超音速导弹,全球唯一

嫦娥六号回地球的打水漂绝技,中国用在了高超音速导弹,全球唯一
2024年06月25日 21:48 有趣探索

嫦娥六号成功返回地球,为了返回地球,它需要在太空打水漂!

那很多网友就会问了,为什么嫦娥六号返回器不直接降落地球,而是在进入大气层后,通过飞行控制提升高度,在太空中滑行一段距离后再次进入大气层,从而返回地球。

我们要知道,嫦娥六号从月球返回地球轨道的过程中,速度会越来越快,返回大气层时的速度已接近第二宇宙速度(每秒11·2公里),如果不进行任何减速,嫦娥五号再入返回飞行试验器就会在大气层中被烧毁。因为航天器与大气剧烈摩擦,会在舱表面产生数千摄氏度的高温。而人类目前还没法提供如此高温条件下的安全防护措施。

所以科学家就想到了打水漂的方法,就像石子在“打水漂”过程中能量不断衰减、最终沉入水中一样,航天器在大气层中跳跃式返回”也能急刹车。

返回器会利用自带的升力借助大气层密度变化的跳板,把自己从高速降落的弹道中脱离出来,反弹回大气层外面,此时经历过一次减速之后的返回舱速度已经大大降低,再次进入大气层的时候条件就温和得多。

这样可以减少再入时因速度过快对返回舱的过度烧蚀,尽可能的降低防热层的厚度和重量,可以多带月壤回来

但是这个技术对再入角度提出了很高的要求,这个再入角误差要小于0.4度,稍有偏差要么直接一次进入大气层烧毁要么直接弹出去回不来。

这个返回技术官方名称叫做“半弹道跳跃式飞行”,即在返回器初次进入大气层一定深度并滑行一定距离后,通过调整它的姿态,让它在气动作用下重新跃起,以此将它的飞行速度由接近第二宇宙速度(每秒11.2公里),降至第一宇宙速度(每秒7.9公里)以内。此后的返回过程类似神舟飞船,就轻车熟路了。采用跳跃式再入返回方式可以有效地调节再入航程,降低气动过载,提高着陆精度,减少地面回收难度,有利于系统任务的执行。

高速半弹道跳跃式再入返回技术目前仅中国掌握,当初美国阿波罗飞船也想要采用半弹道跳跃式飞行技术,但是这样的弹道对于航天器及轨道设计提出了更高要求,难度极大,要求航天器飞行控制系统能够精确计算出飞行轨道,还能够精确控制自己的状态和姿态,提高飞行精度。

由于难度太大,早期航天器只能采用采取部分跳跃的方案来降低过载,例如阿波罗登月飞船在进入大气层之后,全程在大气层内跳跃,高度也不到100公里,当然效果相对也要差一些,阿波罗登月飞船返回地球的时候过载能够控制在7G以内,落点偏差为50公里左右。

除此之外,阿波罗飞船返回舱使用的就是桑格尔弹道“打水漂升力”弹道。阿波罗飞船在研制过程中,已经使用atlas火箭进行过返回舱打水漂再入大气层验证实验,这个项目就叫做FIRE II。

而嫦娥六号采用的则是来源于钱学森提出的钱学森弹道。钱学森弹道就是将弹道导弹和飞航导弹的轨迹融合在一起,其前段采用弹道式弹道,后段为无动力滑翔弹道。精髓在于利用火箭为动力把飞行器发射入高空,突破大气层,然后飞行器从太空再度返回大气层,当角度合适的时候,飞行器会如同瓦片在水面上打水漂一样被弹起,然后再落下,通过这样一系列的弹起——落下的运动轨迹,飞行器就能够以高速抵达目标。

它可以有效兼容解决力载荷与热载荷问题,其再入最大过载不超过4.8g,远小于阿波罗飞船7g过载。也就是说虽然嫦娥六号虽然是无人采样器,但核心数据直接对标载人要求。

需要说明的是,无论是阿波罗计划还是嫦娥系列计划,都离不开钱学森的理论基础,钱学森在1940年前后成为了美航天局喷气推进实验室JPL的五位主要创始人之一。后来五人建立的喷气推进实验室JPL与美航空空气动力研究所NACA合并组建NASA,JPL成为美航天局NASA的重要组成部分,不仅如此,钱学森在1949年计算和预言航天飞机小迎角升力式再入弹道的理论工作使得他被称为航天飞机之父。

钱学森弹道因为比阿波罗采用的升力弹道还要复杂,迄今为止,美国也没有掌握,钱学森弹道是钱学森在美国提出的理论,但是最终美国还是没有掌握,时至今日,美国也没有完全消化钱学森留在JPL的遗产。

钱学森弹道最大的价值除了在探测器返回技术之外,可以用在高超音速武器上,亚音速巡航导弹打击1000公里外的目标需要1个多小时,而高超音速巡航导弹只需要不到10分钟。因为速度太快,现有的防空武器对它基本无计可施。加上具有惊人的动能,对钢筋混凝土的侵入深度可达十几米,特别适合打击深埋于地下的指挥中心等坚固目标。由此高超音速武器也被称为航母终结者。

利用钱学森弹道来“打水漂”,中段/再入段的飞行轨迹就再也无法预测,面对如此高速的弹头根本就没有拦截的可能性。敌方反导拦截的概率无限接近于0。

而且可以中途多次变轨,如果目标移动,它可以在中途实时变换轨道,重新锁定目标,让敌人逃无可逃。

目前来说,中国是全球唯一一个成功将钱学森弹道成功应用在了高超音速武器上的,中国造出了全球唯一一款已经实战化的已经列装的乘波体高超音速弹道导弹,中国高超音速导弹末端速度最快可以达到20马赫,也就是每秒6806米,第一岛链最远只有1800千米,只需要4分钟的时间就可以到达,这样恐怖的速度任何防空都没有反应的时间。

总结来说,嫦娥五号使用的太空打水漂,脱胎于钱学森弹道,因为可以减少防热材料的使用,增加载荷,这种载入模式对载人任务非常友好。

可以说,中国之所以在航天技术能够取得如此惊人的成就,正是一代代先辈前赴后继所取得的结果!

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