抄了美国50多年前技术?嫦娥六号返回:跳跃再入,美国人到底会不会?

星辰大海评军事 2024-06-25 08:42:50

嫦娥六号已进入了月地转移轨道,踏上了“返乡”之旅,将在2天后的6月25日以10.9千米/秒的速度冲入大气层,预计在13点41~14:11在内蒙古四子王旗着陆场着陆。

嫦娥六号月背采样返回的壮举震撼了全球,返回舱的“跳跃再入”因此也搭便车上了热搜,两次进入大气层的操作模式更是中国航天顶尖测控技术的体现,然而在社交媒体上却出现了一些不同的声音,认为这种技术在当年阿波罗登月舱返回时NASA就已经实施,嫦娥六号不过就是抄袭了一下而已!事实真是这样吗?

为何要用那么复杂的返回技术:究竟有什么价值?

嫦娥六号月背采样的进度已经完成了70%,接下来是最关键的一役,再入大气层着陆内蒙古四子王旗,不过这次返回却和以往的神舟飞船返回完全不一样,神舟飞船返回时速度只有7.9千米/秒,而这次从月球轨道返回地球,速度将高达10.9千米/秒,整整高出了3千米/秒!

行云流水操作的背后:是对测控技术变态的要求

速度高了没关系,嫦娥六号的返回舱有一整套流程来解决这个问题,接下来先让大家来感受下嫦娥六号携带了月背样品的返回舱是如何落地的:

组合体分离时间:约在6月25日12时50分;组合体分离位置:南大西洋上空;分离时返回舱高度:5000千米;

分离后组合体中的轨道舱将会启动变轨发动机脱离再入轨道,会以一条绕飞地球的轨道重新回到月球轨道附近,预计将执行月球或者地球附近小型天体的观测任务;而返回舱则沿着当前的轨道以一个大约14度左右俯冲角度继续飞行。

第一次再入:13点10分左右,索马里以东的印度洋上空,高度120千米,返回舱建立返回姿态后进入再入走廊,开始持续三分钟的初次再入并进入黑障区,此时的返回舱会在姿态控制下以一个升阻比较高的角度再入,随着大气越来越密集,高超音速激波产生升力会让返回舱从下降转为上升态,并再次跃出大气层进入自由飞行状态;

第二次再入:13时22分左右,返回舱走过跃出大气层后的抛物线轨道再次落回到高度100千米左右,此时速度已经下降到约7.8千米/秒,返回舱在中国青海上空第二次进入再入大气层飞行状态,再次进入黑障区,此时的姿态与神舟飞船返回时差不多,大约在4分钟后返回舱第二次飞出黑障区,

着陆:13时31分,高度10千米,速度数十米/秒,返回舱在中国内蒙古上空打开降落伞,13时41分返回舱将成功着陆在四子王旗预定着陆点,从分离到落地,总行程超过20000千米,整整半个地球的距离!

各位不要惊讶,种花家只是根据返回着陆的时间节点大致预估几个节点时间,并不表示返回会遵守这个时间表,因为有很多因素都会影响这个时间表,不过也就大差不差,如果一切正常的话前后应该不会超过半个小时。

这次返回也就几个时间节点,然而这个行云流水的操作控制难度极高,一旦测控失误就会在大气层中烧毁或者飞出大气层无影无踪,这是对测控系统的一次重要考验!但问题来了,为什么要那么麻烦?像神舟载人飞船一样返回不行吗?

答案是可以的,但是有几个前提,因为10.9千米/秒的速度已经接近第二宇宙速度,神舟载人飞船只能在第一宇宙速度7.9千米/秒返回的情况下保证安全,如果要更高的速度返回怎么办?有如下几种处理方式:

1、用性能更好或者厚度更大的耐烧蚀大底,不过这个方式会导致重量大幅增加;2、将返回舱减速到第一宇宙速度进入地球轨道,但是这个方式需要装载大量燃料

速度更高,大气高超音速激波加热作用的温度就越高,需要更厚的耐烧蚀大底来对抗高温或者质量更好的材料来代替,前者重量会大幅增加而后者研制技术要求更高。

另一个就是在轨道舱上加注减速燃料,比如至少增加数百千克,在接近地球时开启发动机将速度减到地球捕获的速度,然后再慢慢圆轨准备着陆;这个方式比较理想但燃料是从地球上带出去的,去月球绕一圈再回来,这个成本实在是太高了,并且还会影响有效载荷的搭载。

所以科学家们就考虑了这种以“跳跃再入”的模式来解决这个麻烦的问题,这种返回模式最关键部分就是跳出大气层再返回,降低速度后再二次再入,成功解决了这个几乎无解的难题!返回舱设计是简单了,但需要相当变态的测控技术加持,对航天器的定位与姿态感知,不仅要十分精确,还要非常及时,对测控提出了更高的要求。

Quora(外国知乎)上有个探讨问题挺有趣,“跳跃再入”可以“分段减速”,那么第一宇宙速度的航天器也可以采用这种方式来不断降低速度,以更小的过载来完成再入返回的过程。从理论上这个操作是可行的,但问题是使用这种轨道返回的航天器对气动布局有比较高的要求,像返回飞船这种钟形或者锥形效果并不好,并且还对测控提出了更高的要求,因此在目前近地轨道载人飞船返回上并没有打算用这种模式。

不过这种模式可以应用到再入的导弹上,用特殊设计的气动布局专门来飞这种“跳跃再入”轨迹,就像打水漂一样,即使在无动力状态下也能飞行很远,这就是目前高超音速滑翔导弹的原理!而在有动力作用下甚至能凭借大气层的气动作用不断“水漂,绕地球一圈消耗不了多少燃料但射程却大幅度增加,是不是很刺激?

抄了美国50多年前技术?恰恰相反:是美国“抄”了中国

每次这种非常炸裂的“跳跃再入”技术“展示”时都会引发社交媒体上的大讨论,然而往往有极少数网友却会提出这样一个观点,“跳跃再入”这种模式早就在50多年前的阿波罗登月计划时代就已经实施了,当年的阿波罗飞船返回时也会没有减速直接进入的大气层,并且还提升了轨道,不是“跳跃再入”是什么?中国航天在嫦娥五号的T1试验飞行器上测试的这种技术是在2014年11月1日,之后中国航天觉得这个技术不错,嫦娥五号也采用了这种方式,六号则打算用这种方式,难道中国人真“抄袭”了阿波罗时代的技术?

答案是否定的:阿波罗飞船根本就没“跳跃再入”

“跳跃再入”是“Non-ballistic atmospheric entry”(飞弹道大气层再入)一种,这类再入包括跳跃和滑翔等轨迹,“跳跃再入”是“‘Skip’ Reentry”的英文翻译,很多网友用水漂弹道再入来形容,但事实上并不准确,因为“‘Skip’ Reentry”只跳一次,第二次直接返回。

而且这个跳跃有一个非常关键的指标,即在第一次再入跳跃后会飞出大气层,然后再经过一条抛物线轨迹后再入大气层,会有很明显的二次再入!既然有了跳跃再入的标准,那么来查查当年阿波罗飞船是否有这个动作即可!

阿波罗计划是美国在1960年代的载人登月计划,当时美苏登月竞赛,苏联押宝N1火箭失败导致整个登月计划被取消,而美国使用土星五号火箭,最终在1969年的阿波罗11任务中成功登上月球,不过从阿波罗1号开始到17号结束,并不是每次都能达到第二宇宙速度的。

从阿波罗四号开始就有用土星五号将阿波罗飞船送至高地球轨道,以测试飞船以第二宇宙速度再入返回时的防热罩是否能达到保护飞船不会被超高温烧毁。种花家查了数据,如下几个是达到了测试速度:

阿波罗四号:高地球轨道,测试飞船以第二宇宙速度返回;阿波罗六号:月球高轨环绕;阿波罗八号:首次载人月球轨道飞行;阿波罗十号:月球地轨道运行(15千米高度);阿波罗十一~十七号:登月,其中十三号失败,但从月球轨道成功返回地球;

阿波罗计划中总共有11次月球轨道返回的接近第二宇宙速度冲入地球大气层的“操作”,种花家也查到了阿波罗飞船确实也用了再入轨道出现波浪变化的情形,但这种条件并不算“跳跃再入”:

上图是阿波罗4号的测试数据,在整个飞行轨迹里,从再入大气层后轨迹确实出现了抬升,但有一点必须要说明的是在“跳跃”期间最高的高度略低于250000英尺(75千米),目前已卡门先作为太空的界限,因此从严格意义上来说,阿波罗飞船并没有实现“跳跃再入”。

阿波罗10号返回时的高度变化,也是未能达到二次再入的标准。另外据StackExchange上有大佬给出的数据,在阿波罗计划任务期间,“跳跃”最高的阿波罗11号任务也未能达到二次再入的标准,因此并不能算是“跳跃再入”。

其实如果跳不成功的话还会更恶劣,因为跳跃再入增加了再入时间,并且还没有大幅度减少速度,会让耐烧蚀大底经理更严峻的考验,因为用这种方式的返回会让返回舱在高温与电离环境极端恶劣的环境持续更长的时间。

第一个成功实施跳跃的是前苏联的Zond 6,之后还有该系列的7、8两个探测器,这些都是月球飞跃探测器,返回地球时确实达到了第二宇宙速度,当时苏联有两个考虑,一个是让载人飞船能在比较轻的情况下能撑住从月球返回的速度再入大气层时的高温;另一个是前苏联的着陆地都在高纬度地球,再入位置不合适,因此也可以用“跳跃”将航天器的“航程”大幅增加已靠近高纬度着陆区。

当时苏联确实是做到了“跳跃再入”,不得不说当年的老毛子那技术还是杠杠滴,不过唯一的缺点就是误差比较大,当年的测控技术也没法和现在比是吧,但已经是逆天一般的存在了。

美国第一次“跳跃再入”:猎户座飞船

美国真正的“跳跃弹道”返回技术一直要到2022年才“学会”,在阿尔忒弥斯计划1中,SLS火箭在带着猎户座飞船去月球轨道逛了一圈,在2022年12月返回时用了“跳跃弹道”,至此美国人才真正学会“跳跃弹道”技术!说的好听一点美国学习了这个技术,难听一点就是美国人偷窃了中国人的跳跃弹道返回技术!

这张图展示了猎户座飞船将于2022年12月11日在太平洋上空再入大气层时进行的跳跃式再入。图片来源:NASA

所以要说美国人抄了中国人的技术也没什么话好说的,毕竟中国在前美国在后,按美国人的逻辑就是美国人抄了中国人的!要是争辩的话,美国人早已掌握却为什么不用?一句话能噎死你,目前国内有很多人就是这种双标逻辑。

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星辰大海评军事

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