《力学园地》编辑部： 

　　嫦娥五号的月球之旅，给我们国人极大的鼓舞。我觉得她能安全返回地球，是这次航天壮举的重要保障。能解释一下其中的力学问题吗？谢谢！ 

一名退休老者 

2021年1月15日 

　　2020年12月17日1时59分，“嫦娥五号”返回器带着从月球采集的月壤和进行航天育种的植物种子，在内蒙古四子王旗预定区域成功着陆。细心的读者可能在媒体报道中发现两个奇特的描述：“打水漂”式的再入和有过“黑障”的经历。这里，咱们就从力学角度来聊聊这两件事情。 

一、  “打水漂”式再入轨道 

　　大家可能知道,再入航天器是完成航天任务以后重返地球的一种航天器。“再入”是空气动力学力学的一个学术名词，它是指航天器返回时进入大气层。这里的“再入”是相对于航天器发射时飞出大气层而言的。根据不同的任务使命,有两种再入方式:一是以导弹弹头为代表的弹道再入式，二是以载人飞船为代表的飞船再入式。第一种再入方式的显著特点是：再入角大(这里的术语“再入角”是航天器飞行轨道与地平面的夹角)，其轨迹为抛物线。抛物线式路线再入,消耗的时间和所经历的航程短，但是引起航天器减加速度和过载都很大,峰值加热率也高。第二种再入方式由于要考虑宇航员的承受能力(一般认为过载不能超过5倍重力加速度,即5g)，所以与弹道式再入相反：飞船以小再入角在大气层中经历较长的时间和路程,通过空气阻力缓慢地消耗其动能降低飞行高度,这样一来,减加速度和过载小了,但因路程远,时间长,虽然峰值加热率低,但总加热量并未降低。这两种再入方式,我国都已经有成功的范例，可惜仅限于环绕地球的第一宇宙速度(7.9千米/秒)的再入。 

　　但是，这次“嫦娥五号”返回器从月地转移轨道进入地球大气层时，是带着第二宇宙速度(11.2千米/秒)过来的。虽然月壤和种子可以承受更高的重力加速度过载(>5g),但如果是以弹道式进入地球稠密大气层,由于减加速度过大, 将会引起过高的热载荷,返回器周围的气体温度可能高达10000K，而且峰值加热率也会非常高。这样就需要增强返回器壳体结构和热防护层设计。如果采用飞船式再入，就像美国的阿波罗飞船那样,峰值加热率可能减小了,烧蚀防热层厚度也可能会有所减小,但是,由于再入时间长,总加热量并未减少,隔热层因而可能要增加。为了再入安全而大大增加防热结构，代价太大。再说,现在的“乘客”是物而不是人,这样做也实在没有必要。于是,轨道设计工程师想出了一个简单实用的“打水漂”或者说半弹道跳跃式的再入轨道。按照这一方案,以第二宇宙速度过来的返回器先以较小的再入角进入地球大气层,在相对稀薄的上层大气中飞行一段距离后,调整姿态使其产生升力，并凭借升力重新跳到大气层外。在这一过程中,由于空气阻力和重力的作用,将消耗掉返回器的大量动能,使其飞行速度降低下来,当其降到小于或等于第一宇宙速度(7.9千米/秒)而再次进入大气层时,工程师们就可以轻车熟路般地按中远程导弹弹头的再入方案，规划“嫦娥五号”返回器的回家方式了。因这一过程酷似用瓦片在池塘打水漂,因而被戏称为“打水漂”式再入。不过与弹头直接落地不同，为保护返回器及其载荷，在其离地10-12千米时打开降落伞，让其慢慢降落地面。

二、  “黑障” 

　　所谓“黑障”，是指再入航天器（包括中远程弹道导弹弹头，返回式卫星，宇宙飞船，航天飞机，登月返回仓及行星探测器等等）在返回地球或进入行星大气层时，发生的无线电通讯中断现象。虽然它的“知名度”要比高速飞行器研发过程中所碰到的“声障”和“热障”小很多，但人们想必记得：1969年7月24日，美国阿波罗11号登月飞船在返回地球时的电视实况广播，宇航员的画面中断了十多分钟；2008年，我国的神舟七号返回时，也有约4分钟的语音通讯和无线电跟踪的中断。而这次嫦娥五号返回器也碰到了通讯中断的情况。显然，这是一个棘手的技术难题。于是，人们套用突破声速和解决热防护时“声障”和“热障”的称谓，将它称之为“黑障”。 

　　“黑障”虽然不像声障和热障那样可能直接造成航天器的毁坏，但它确确实实是航天器研发中的一个“障”。通讯中断往往发生在再入飞行过程中的关键时刻，由于各种飞行信息无法通过遥测系统及时传送到地面，供实时和事后分析处理，因而妨碍了航天器的改进设计和定型工作的完成；此外，语音通讯和数据传输的中断，也可能影响载人飞船的安全和造成军用导弹弹头的末制导和电子对抗能力的缺失。因此，“黑障”对再入航天器的研制，试验和使用都将造成严重的后果。 

　　要克服“黑障”，首先必需弄清“黑障”是怎样产生的。 

　　我们知道，当再入航天器高速进入大气层时，由于激波和粘性的作用，周围气体温度迅速升高（可达几千甚至上万度），这样就会导致气体分子离解和电离；此外，防热层烧蚀时，又有一些容易电离的杂质进入，从而使航天器周围形成一个由电子、正负离子和中性粒子组成的“等离子鞘”。无线电波由航天器中发出或由外部进入，都要经过这个“鞘”。正是它们的相互作用，决定了无线电通讯的不同状况。 

　　无线电波是电磁波的一种。当无线电波通过等离子鞘时，在电磁场的驱动下，其中的自由电子会发生振动，其振动频率叫做等离子体频率，它与等离子体中电子的数密度（即单位体积中电子的个数）的平方根成正比。当无线电波的频率大于等离子体频率时，无线电波会顺利通过（衰减很小），无线电通讯畅通；当无线电波的频率等于或小于等离子体频率时，无线电波或从等离子鞘表面反射回来，或衰减严重地通过，无线电通讯中断或损耗严重。因此，解决通讯中断（或克服“黑障”）的方向已经明确——提高无线电波的频率；降低等离子体的频率（亦即降低等离子体中的电子数密度）。 

　　提高无线电波的频率，受通讯器件和原有测控站以及远洋测量船上设备的限制，因而潜力很小，且代价很大。因此，人们将克服“黑障”的努力主要放在降低等离子体的频率，或者说，降低等离子鞘中的电子数密度之上。 

　　精心设计飞行器的气动外形和选择合适的天线安装位置，可以降低整个等离子鞘或天线安装处等离子鞘的电子数密度；减少防热材料中容易电离的杂质（如碱金属）和添加亲电子物质（如卤族元素）是降低等离子鞘中电子数密度的极有效手段。上述手段的综合运用可大大减轻通讯中断（例如，将中断时间减至最小和降低电波通过“鞘”时的衰减）。但是，这还不能彻底解决问题。于是，人们又研究了一些辅助手段。例如，对于无线电遥测信号的“记忆重发”（即在进入黑障期间将飞行信息压缩记录下来，待出黑障区后再迅速发出）；对无线电跟踪和语音通讯的“超前等待”（即从飞行轨道预测的出黑障处等待，在出黑障时恢复跟踪和通话）等等。对于这次“嫦娥五号”返回器上发生的“黑障”，工程师们除了在进入黑障区前提前发送指令外，还采用光学经纬仪和单脉冲雷达对返回器进行跟踪，用以精确确定着陆地点。这样一来，人们就可以将“黑障”的影响降至最小，或者说将“黑障”影响克服了。当然，随着科技的进一步发展，人们肯定会有更好的解决办法。