像“嫦娥”5號(hào)那樣打水漂

晨楓

削弱氣動(dòng)加熱的新思路

相比于把人送入太空，如何讓人從太空安全返回是更大的挑戰(zhàn)。一般航天器都采用彈道式再入加降落傘的方式，也就是說，像隕石一樣在重力作用下自由下落，然后到稠密大氣層內(nèi)一定高度時(shí)打開降落傘，用氣動(dòng)阻力減速，實(shí)現(xiàn)軟著陸。在自由下落過程中，氣動(dòng)加熱使航天器表面急劇升溫。從降低氣動(dòng)阻力以減少氣動(dòng)加熱的角度看，再入的航天器應(yīng)該采用尖銳的頭部。但理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證明，再入過程中極高的速度使氣動(dòng)加熱的升溫速度太快，尖銳頭部對(duì)減小氣動(dòng)加熱的作用微乎其微，頭錐受到在時(shí)間和空間上高度集中的熱負(fù)荷，根本沒有時(shí)間散熱，將很快被燒毀。耐熱材料或隔熱、散熱、導(dǎo)熱技術(shù)只能略微推遲被燒毀的時(shí)間，但不能從根本上改變被燒毀的結(jié)局。1951年，美國(guó)NACA（NASA的前身）物理學(xué)家亨利·艾倫在研究中發(fā)現(xiàn)，高速的航天器前端對(duì)空氣產(chǎn)生強(qiáng)烈壓縮，在前方大氣中形成一個(gè)傘狀的激波錐，激波前沿的空氣密度急劇升高，實(shí)際上像一堵堅(jiān)硬但移動(dòng)的墻一樣，航天器則在墻后的尾流中前行。由于和前方靜態(tài)空氣直接接觸的是激波錐而不是航天器本身，氣動(dòng)加熱主要由激波前沿和前方的靜態(tài)空氣之間的壓縮和摩擦產(chǎn)生，熱量也主要沿密度極高的激波鋒面內(nèi)部傳導(dǎo)和耗散。如果航天器表面和激波鋒面保持一定的距離，激波鋒面和航天器表面之間的邊界層實(shí)際上形成保護(hù)層，航天器本身承受的熱負(fù)荷就要小很多。因此，亨利·艾倫提出，航天器的頭部應(yīng)該是鈍形，在艏部推出一個(gè)寬大和強(qiáng)烈的激波，并使波鋒面遠(yuǎn)離航天器本體，就像平頭的駁船船首推開的波浪一樣，形成有效的熱保護(hù)。實(shí)際數(shù)據(jù)表明，航天飛機(jī)再入段初期，圓鈍的頭錐前方幾米外激波前沿的溫度可達(dá)攝氏5 300度，但航天飛機(jī)表面“僅僅”感受到1 260度左右，說明了激波隔熱的有效性。但這只解決了問題的一半，剩余的氣動(dòng)加熱問題依然嚴(yán)重，需要用燒蝕型散熱材料，用時(shí)間換溫升。

但航天飛機(jī)實(shí)際是另一個(gè)思路：用大氣層內(nèi)的滑翔降落解決軟著陸問題，但氣動(dòng)加熱的問題更加棘手。急劇降低高度和減速將導(dǎo)致嚴(yán)重的瞬時(shí)氣動(dòng)加熱，但速度和高度降不下來導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間滑翔則延長(zhǎng)氣動(dòng)加熱時(shí)間，引起累積蓄熱問題。航天飛機(jī)再入后，不斷橫向滾轉(zhuǎn)至90度，用主動(dòng)喪失升力來降低高度，用增加迎角來降低速度。但橫滾有自然的轉(zhuǎn)彎傾向，所以航天飛機(jī)要時(shí)不時(shí)反向橫滾一下，用S形航跡來保持基準(zhǔn)航向。

但航天飛機(jī)的設(shè)計(jì)極富挑戰(zhàn)。航天飛機(jī)的水平著陸是無動(dòng)力的滑翔著陸。換句話說，航天飛機(jī)一旦脫離地球軌道、進(jìn)入大氣層，就是一錘子買賣，不可能復(fù)飛的，必須在指定地點(diǎn)降落下來。這要求航天飛機(jī)具有良好的升阻比，可以滑翔一定的距離，且在滑翔中具有良好的操控，尤其要有良好的著陸操控性能。換句話說，應(yīng)該采用具有較高升阻比的細(xì)長(zhǎng)機(jī)翼。但是，航天飛機(jī)在返回大氣層之初，速度可以高達(dá)24馬赫，這樣的高超聲速要求采用阻力最小的升力體，也就是說，由扁平短拙、大后掠角的機(jī)體本身產(chǎn)生必要的升力，根本不用常規(guī)意義下的機(jī)翼。但折中都是有代價(jià)的，航天飛機(jī)的操縱特性據(jù)說和一塊飛行的磚頭差不多，而且返回時(shí)必須沿一條精細(xì)計(jì)算過的在瞬時(shí)氣動(dòng)加熱和累計(jì)氣動(dòng)加熱之間最小化的路徑下滑，以最大限度地降低熱負(fù)荷，使用要求非常高。

“嫦娥”5號(hào)則是采用彈道式再入和大氣層內(nèi)滑翔式再入之間的全新方式。這是在大氣層邊緣像打水漂一樣用彈跳的方式滑翔再入。換句話說，在接近大氣層的時(shí)候，用較小的角度進(jìn)入，在大氣層外緣“下沉”過程中，利用大氣層和近地空間的空氣密度差，產(chǎn)生強(qiáng)大的氣動(dòng)升力，讓航天器彈跳出大氣層。地球引力將使航天器再次回落，產(chǎn)生又一次彈跳。在此過程中，速度逐漸降低，直到不再有足夠動(dòng)能形成新的彈跳，而自由下落，返回地球。這樣做的好處是，每一次擦過大氣層邊緣的時(shí)候，氣動(dòng)加熱的時(shí)間較短，返回寒冷的近地空間期間正好散熱，這樣可以大大降低返回期間氣動(dòng)加熱積累的問題。在動(dòng)能不足以繼續(xù)彈跳時(shí)，可以近似為航天器從大氣層邊緣開始自由下落，這樣的初始位能也較直接從外太空返回為低，同樣有助于降低返回段熱負(fù)荷問題。

應(yīng)該注意的是，航天器在大氣層邊緣彈跳飛行時(shí)，升力的來源將不是常規(guī)的機(jī)翼，而是激波。返回時(shí)的高速足以產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的激波錐，這相當(dāng)于一圈堅(jiān)硬如鐵的盾牌。有意思的是，這道盾牌在壓縮前方空氣時(shí)，不僅吸收氣動(dòng)加熱，還產(chǎn)生壓縮升力，好比滑水板在水面高速劃過時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)浮力一樣?？刂坪教炱鞯淖藨B(tài)可以有效地改變激波的形狀和迎角，進(jìn)而改變升力的大小，控制反彈的力度；甚至可以產(chǎn)生側(cè)向的升力，改變航向。隨著動(dòng)能在每一次彈跳中的消耗，航天器的迎角應(yīng)該有所增加，以補(bǔ)償升力的損失。最后速度降低到不足以維持強(qiáng)大激波錐的時(shí)候，也是該返回地球的時(shí)候了。

關(guān)于桑格爾彈道和錢學(xué)森彈道

1933年，德國(guó)火箭科學(xué)家尤金·桑格爾提出火箭助推-大氣層邊緣跳躍飛行的概念。也就是說，火箭將載荷推出大氣層之后，然后用類似“嫦娥”5號(hào)返回段彈跳軌跡的方式延長(zhǎng)射程。桑格爾計(jì)算出，從德國(guó)發(fā)射導(dǎo)彈的話，需要三次跳躍就可達(dá)到美國(guó)東海岸。桑格爾彈道的特點(diǎn)是利用近地空間幾乎真空的低阻力延長(zhǎng)射程，但問題在于反彈的升力機(jī)制并不明確，彈道控制問題更是空白，即使最后實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)彈也將豪無精度可言。

1948年錢學(xué)森在美國(guó)火箭年會(huì)上提出火箭助推-再入大氣層滑翔機(jī)動(dòng)飛行的概念。與桑格爾彈道不同的是，錢學(xué)森彈道是指進(jìn)入大氣層后，飛行器完全依靠大氣層內(nèi)的氣動(dòng)滑翔維持進(jìn)一步飛行，實(shí)現(xiàn)更大的射程。這樣的好處是保持了常規(guī)氣動(dòng)飛行器的氣動(dòng)控制和命中精度。在精確制導(dǎo)時(shí)代，利用這樣的復(fù)合彈道更可以以彈道導(dǎo)彈為運(yùn)載工具，把常規(guī)的反艦導(dǎo)彈運(yùn)送到目標(biāo)區(qū)，將其釋放，然后轉(zhuǎn)入常規(guī)的導(dǎo)彈攻擊。彈道導(dǎo)彈的高速可以大大縮小目標(biāo)的逃逸窗口，常規(guī)導(dǎo)彈則保證機(jī)動(dòng)追擊和精確命中。這種攻擊方式對(duì)于航空母艦、兩棲攻擊艦、補(bǔ)給艦、艦隊(duì)油船等行動(dòng)相對(duì)笨拙的大型艦船特別有效，甚至在理論上還可以空空導(dǎo)彈為有效載荷，用于攻擊預(yù)警機(jī)、加油機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、電子戰(zhàn)飛機(jī)等大型高亞聲速飛機(jī)。相比之下，常規(guī)的超遠(yuǎn)程飛航式導(dǎo)彈的飛行時(shí)間太長(zhǎng)，有很大的逃逸窗口或者攔截窗口，戰(zhàn)術(shù)價(jià)值不高。錢學(xué)森彈道的難點(diǎn)在于再入初期，這一段高超聲速、高熱負(fù)荷的飛行大大超過常規(guī)導(dǎo)彈的工作范圍，彈道導(dǎo)彈不可能在再入前釋放常規(guī)導(dǎo)彈，在再入后也必須充分減速才能釋放常規(guī)導(dǎo)彈，大大降低了錢學(xué)森彈道的優(yōu)越性。

但是，把桑格爾彈道和錢學(xué)森彈道相結(jié)合，不僅可以大大延長(zhǎng)射程，還有助于有效轉(zhuǎn)接到大氣層內(nèi)常規(guī)導(dǎo)彈的工作條件。桑格爾彈道在最終自由下落時(shí)，速度和高度大大降低，使得釋放適當(dāng)改裝的常規(guī)導(dǎo)彈成為可能。在洲際導(dǎo)彈的射程早已達(dá)到全球的情況下，大大延長(zhǎng)射程依然是有重大意義的，這可以大大減小導(dǎo)彈的尺寸和重量，不僅降低成本，也有助于機(jī)動(dòng)發(fā)射。更重要的是，這有助于把彈道導(dǎo)彈戰(zhàn)術(shù)化。不難想象，中程彈道導(dǎo)彈以常規(guī)反艦導(dǎo)彈或者空空導(dǎo)彈為載荷的話，采用桑格爾-錢學(xué)森彈道之后，可以在幾千千米的范圍上對(duì)敵人的艦艇和飛機(jī)造成巨大的威脅。當(dāng)然，在這樣的距離上發(fā)現(xiàn)目標(biāo)和指揮控制依然是巨大的挑戰(zhàn)，但具有足夠長(zhǎng)的矛無論如何也是在這樣的距離上形成有效打擊能力的關(guān)鍵一步。

另外，隨著反彈道導(dǎo)彈技術(shù)的進(jìn)步，彈道導(dǎo)彈突防的成功關(guān)鍵在于變軌。在外層空間變軌需要大量拋射火箭燃?xì)?，成本和難度較高，變軌幅度也有限。桑格爾-錢學(xué)森彈道更容易實(shí)現(xiàn)變軌，代價(jià)是速度有所降低，但機(jī)動(dòng)的高超聲速飛行依然是反導(dǎo)攔截的巨大難題。由于彈道導(dǎo)彈沿固定的拋物線彈道飛行，導(dǎo)彈起飛后不久，就能判斷整個(gè)飛行軌跡和命中目標(biāo)。這也是反導(dǎo)攔截的基礎(chǔ)。反導(dǎo)導(dǎo)彈向來襲導(dǎo)彈預(yù)計(jì)彈道沿途中最有利的攔截點(diǎn)發(fā)射，位置守株待兔，只需要有限的機(jī)動(dòng)能力以補(bǔ)償彈道計(jì)算的誤差。但如果目標(biāo)是高超聲速機(jī)動(dòng)飛行的話，守株待兔就不管用了，需要對(duì)目標(biāo)有較大的能量差才能保證有效攔截，主要是在攔截終點(diǎn)要有比目標(biāo)更高的速度和更大的機(jī)動(dòng)性。由于高超聲速導(dǎo)彈的預(yù)警時(shí)間本來就有限，反導(dǎo)系統(tǒng)要具有相當(dāng)大的射程才能有效保護(hù)己方目標(biāo)，但這對(duì)反導(dǎo)導(dǎo)彈的加速、射程、機(jī)動(dòng)性、終端速度的要求進(jìn)一步提高，攔截難度實(shí)際上超過了速度更高但固定彈道的純彈道導(dǎo)彈。

更長(zhǎng)遠(yuǎn)來說，如果再入的導(dǎo)彈裝備了適合超高空和高超聲速飛行的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的話，桑格爾彈道的射程就只受彈載燃料的限制了，這將是真正的全球打擊系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

軍事技術(shù)往往是引導(dǎo)技術(shù)革命的先鋒，桑格爾肯定沒想到，自己遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的設(shè)想為幾十年后“嫦娥”探測(cè)器的返回方式提供了新的思路。