嫦娥五号开箱成功，为何嫦娥五号返回时会燃烧，升空时却不会？

2020年12月19日，我们期待已久的嫦娥五号返回舱终于迎来了“开箱”，测量称重后初步测算此次任务共采集月球样品大约为1731克，自此月球样品开始转入科学研究阶段，我国也成为了世界上第三个成功挖取月壤并且带回地球的国家，这也让我国掌握了月地返回的关键技术，为将来更加复杂的载人登月奠定了坚实的基础。

月球样品称重

嫦娥五号在等待返回地面前，由于窗口期间隔时间较长，因此轨返组合体在太空停留了数日，嫦娥五号返回器返回地球过程中携带月壤以接近第二宇宙速度再入大气层，这个过程会使返回器表面温度骤升至数千度，如果控制不好很有可能会使返回器燃烧殆尽，致使珍贵的月壤样品烧毁。

返回器再入大气层

有人会因此提出质疑，为何航天器伴随火箭升空时不会与大气摩擦产生超高温度，外表安然无恙，反而返回器在返回地球再入大气层时会形成“火球”现象呢？

其实人类将航天器送入太空是从火箭诞生才慢慢开始的，随着空间技术的不断发展，大推力火箭和更大重量的航天器深空试验也正按计划进行，由于嫦娥五号总重量达到了8.2吨，因此负责此次发射任务的重任就落到了长征五号身上，这也是长征五号自投入运营以来的第二次应用性发射。

嫦娥五号登月

当大推力火箭点火升空时需要克服地球引力，加上浓密大气层的摩擦作用，火箭上升时的最大速度一般不会超过3公里每秒，这个速度并不会引起强烈的气动加热效应，而大气层内绝大多数气体都集中在两万米高空以下，越往上空气越稀薄，到了100公里“卡门线”高度时，也就是太空分界线，想要摆脱地球引力火箭就会加速到第一宇宙速度，此时火箭也已经基本飞出了大气层，因此并不会发生燃烧效果。

长征五号上升

反观月球探测器返回地球时，由于地月间距离太远，返回器会近乎自由落体一样飞向地球，最终会以接近第二宇宙速度再入大气层，也就是接近11.2公里每秒，这个速度下返回器与大气层不仅仅是摩擦生热，更多的是气动加热效应。

返回器再入大气层

返回器在大气层内加速的过程中，高速飞行的返回器底端会与空气产生强烈压缩，与返回器底端接触的空气会形成一个伞状的激波锥，激波锥会将航天器与前端空气分隔开一定距离，由于气体的压强、体积、密度之间的物理特性，激波锥会与前端空气压缩、摩擦产生气动加热效应，这个温度会伴随着速度的增加而急速升高，温度甚至会达到数千度，因此就会燃烧，产生“火球”效果。

气动加热产生高温

为了让激波锥锋面远离返回器，因此返回器一般设计成钝形，这样即使返回器大底前端温度达到了五六千度，而返回器的温度也基本不会超过三千度，即使这样为了保护航天器安全也必须采用超强的耐热材料，尽量增加散热时间，因此我国科研人员采用了全新的第二宇宙速度半弹道跳跃式再入返回技术。

嫦娥五号返回舱着陆

在地球上空100公里“卡门线”以下，随着高度的降低，大气层密度也会随之升高，如果返回器经过特殊设计就会产生一定升力，比如航天飞机机翼。但是嫦娥五号返回舱是锥形的，想要获得升力就必须让返回舱重心偏移一些，让返回舱与气流间形成一个攻角，让更多的气流向下推，这样返回舱就会获得一个向上的升力。

返回舱与气流产生攻击形成升力

返回舱采用倒锥体还有一个好处就是升阻比较高，倒锥体受力面积较大，这样能够将更多的气流向下推，获得的升力也就越多，当返回舱距离地面60公里高度时，此时的升力就会超过返回舱自身重力，这样返回舱会基于升力的作用被再次抬起至亚轨道空间，滑行一段距离后会再次返回稠密大气层，就像“打水漂”一样。值得一提的是当返回舱第一次再入大气层时必须控制好攻角，否则将会失控坠毁。

返回舱再入大气层轨迹

其实在嫦娥五号之前，我国早在2014年就研制了嫦娥五号的“探路者”—嫦娥五号T1试验器，并且成功进行了跳跃式再入试验。T1试验器也采用了一种全新的“迎风面”设计，在返回舱的“迎风面”和“背风面”分别采用了7种不同的材料，由于迎风面经受的气动加热效应较强，材料耐热性和厚度也会相应提高，反之背风面就会随之减弱，这样做的目的不但提升了返回舱的耐热性，而且还减轻了返回舱的重量，我国此次前往月球“挖土”的嫦娥五号几乎继承了T1试验器的全部特征，因此也为嫦娥五号携带珍贵的月壤样品成功返回地球奠定了坚实的基础。

嫦娥五号T1试验器