錢學森彈道和「太空水漂」——談談航天器的返回

自從地理大發現以來，太空成為人類最後的邊疆。但相比於把人送入太空，從太空安全返回是更大的挑戰。在理論上，火箭推力可以把宇航天器送入太空，反推力也就可以使航天器減速到軟著陸。但火箭發射是一個用動能換取位能的過程，返回自然就是用位能換取動能的過程。如果不考慮空氣摩擦和燃料消耗的因素，在理論上，上升階段的助推火箭的推力和燃燒時間該多大，純粹用反推力軟著陸的剎車火箭的推力和燃燒時間也就要多大，這自然是不現實的。航天器減速火箭的減速作用是有限的，只能將航天器的速度降低到不足以維持軌道運行的臨界速度以下，以完成脫離地球軌道的動作，對再入後的減速沒有作用。一般航天器採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，然後在稠密大氣層內一定高度時打開降落傘，用氣動阻力減速，實現軟著陸。

發射成功只是一半，返回是更大的挑戰。神舟返回是傳統的彈道式返回

在自由下落過程中，氣動加熱使航天器表面急劇升溫。從減低氣動阻力以減少氣動加熱的角度看，再入的航天器應該採用尖銳的頭部。但理論計算和實驗證明，再入過程中極高的速度使氣動加熱的升溫速度太快，尖銳頭部對減小氣動加熱的作用微乎其微，頭錐受到在時間和空間上高度集中的熱負荷，根本沒有時間散熱，將很快被燒毀。耐熱材料或隔熱、散熱、導熱技術只能略微推遲被燒毀的時機，但不能從根本上改變被燒毀的結局。1951年，美國NACA（NASA的前身）物理學家亨利艾倫在研究中發現，高速的航天器前端對空氣產生強烈壓縮，在前方大氣中形成一個傘狀的激波錐，激波前沿的空氣密度急劇升高，實際上像一堵堅硬但移動的牆一樣，航天器則在牆後的尾流中前行。由於和前方靜態空氣直接接觸的是激波錐而不是航天器本身，氣動加熱主要由激波前沿和前方的靜態空氣之間的壓縮和摩擦產生，熱量也主要沿密度極高的激波鋒面內部傳導和耗散。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際上形成保護層，航天器本身承受的熱負荷就要小很多。因此，亨利艾倫提出，航天器的頭部應該是鈍形，在艏部推出一個寬大和強烈的激波，並使波鋒面遠離航天器本體，就像平頭的駁船船首推開的波浪一樣，形成有效的熱保護。實際數據表明，太空梭再入段初期，圓鈍的頭錐前方几米外激波前沿的溫度可達攝氏5300度，但太空梭表面「僅僅」感受到1260度左右，說明了激波隔熱的有效性。但這隻解決了問題的一半。剩餘的氣動加熱問題依然嚴重，需要用燒蝕型散熱材料用時間換溫升。

航天器返回時的氣動升溫是一個嚴峻的技術挑戰

但太空梭實際是另一個思路：用大氣層內的滑翔降落解決軟著陸問題，但氣動加熱的問題更加棘手。急劇降低高度和減速將導致嚴重的瞬時氣動加熱，但速度和高度降不下來導致長時間滑翔則延長氣動加熱時間，引起累積蓄熱問題。太空梭再入後，不斷橫向滾轉至90度，用主動喪失升力來降低高度，用增加迎角來降低速度。但橫滾有自然的轉彎傾向，所以太空梭要時不時反向橫滾一下，用S形航跡來保持基準航向。

太空梭的滑翔返回是比宇宙飛船的彈道式返回更大的技術挑戰

但太空梭的設計極富挑戰。太空梭的水平著陸是無動力的滑翔著陸。換句話說，太空梭一旦脫離地球軌道、進入大氣層，就是一鎚子買賣，不可能復飛的，必須在指定地點降落下來。這要求太空梭具有良好的升阻比，可以滑翔一定的距離，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，應該採用具有較高升阻比的細長機翼。但是，太空梭在返回大氣層之初，速度可以高達24馬赫，這樣的高超音速要求採用阻力最小的升力體，也就是說，由扁平短拙、大後掠角的機體本身產生必要的升力，根本不用常規意義下的機翼。但折中都是有代價的，太空梭的操縱特性據說和一塊飛行的磚頭差不多，而且返回時必須沿一條精細計算過的在瞬時氣動加熱和累計氣動加熱之間最小化的路徑下滑，以最大限度地降低熱負荷，使用要求非常高。

滑翔式的再入軌道是一個很小的窗口，既要避免「過度滑翔」早晨的累積氣動加熱過度，又要避免「過度減速」造成的瞬時增溫失控

嫦娥五號和T1試驗器則是採用彈道式再入和大氣層內滑翔式再入之間的全新方式。這是在大氣層邊緣向打水漂一樣用彈跳的方式滑翔再入。換句話說，在接近大氣層的時候，用較小的角度進入，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，產生強大的氣動升力，把航天器彈跳出大氣層。地球引力將使航天器再次回落，產生又一次彈跳。在此過程中，速度逐漸降低，直到不再有足夠動能形成新的彈跳，而自由下落，返回地球。

返回軌道：a）彈道式，b）滑翔式（太空梭），c）滑躍式（嫦娥五號）

在大氣層邊緣的滑躍式再入是另一個思路

這和前一張圖是一個意思，但容易看出，第一次再入時的角度和速度決定了彈出時的角度和速度，而這決定了第二次大氣層外彈道式飛行的距離和第二次再入的角度、速度

這樣做的好處是，每一次擦過大氣層邊緣的時候，氣動加熱的時間較短，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加熱積累的問題。在動能不足以繼續彈跳時，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，同樣有助於降低返回段熱負荷問題。

應該注意的是，航天器在大氣層邊緣彈跳飛行時，升力的來源將不是常規的機翼，而是激波。返回時的高速足以產生一個強大的激波錐，這相當於一圈堅硬如鐵的盾牌。有意思的是，這道盾牌在壓縮前方空氣時，不僅吸收氣動加熱，還產生壓縮升力，好比滑水板在水面高速划過時產生的動浮力一樣。控制航天器的姿態可以有效地改變激波的形狀和迎角，進而改變升力的大小，控制反彈的力度；甚至可以產生側向的升力，改變航向。隨著動能在每一次彈跳中的消耗，航天器的迎角應該有所增加，以補償升力的損失。最後速度降低到不足以維持強大激波錐的時候，也是該返回地球的時候了。

當然，要是速度足夠，或者在彈出時有額外動力助推，還可以實現多次滑躍

但這樣的大氣層邊緣的滑跳飛行的意義遠遠大於航天器返回。

1933年，德國火箭科學家尤金·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後，然後用類似嫦娥五號T1試驗器返回段彈跳軌跡的方式延長射程。桑格爾計算出，從德國發射導彈的話，需要三次跳躍就可達到美國東海岸。桑格爾彈道的特點是利用近地空間幾乎真空的低阻力延長射程，但問題在於反彈的升力機制並不明確，彈道控制問題更是空白，即使最後實現，導彈也將豪無精度可言。

尤金·桑格爾

桑格爾的「銀鳥」火箭動力高超音速轟炸機

1948年錢學森在美國火箭年會上提出火箭助推-再入大氣層滑翔機動飛行的概念。與桑格爾彈道不同的是，錢學森彈道進入大氣層後，完全依靠大氣層內的氣動滑翔維持進一步飛行，實現更大的射程。這樣的好處是保持了常規氣動飛行器的氣動控制和命中精度。在精確制導時代，這樣的複合彈道更可以以彈道導彈為運載工具，把常規的反艦導彈運送到目標區，將其釋放，然後轉入常規的導彈攻擊。彈道導彈的高速可以大大縮小目標的逃逸窗口，常規導彈則保證機動追擊和精確命中。這種攻擊方式對於航空母艦、兩棲攻擊艦、補給艦、艦隊油船等行動相對笨拙的大型艦船特別有效，甚至在理論上還可以空空導彈為有效載荷，用於攻擊預警機、加油機、運輸機、電子戰飛機等大型高亞音速飛機。相比之下，常規的超遠程飛航式導彈的飛行時間太長，有很大的逃逸窗口或者攔截窗口，戰術價值不高。錢學森彈道的難點在於再入初期，這一段高超音速、高熱負荷的飛行大大超過常規導彈的工作範圍，彈道導彈不可能在再入前釋放常規導彈，在再入後也必須充分減速才能釋放常規導彈，大大降低了錢學森彈道的優越性。

錢學森

桑格爾彈道用大氣層外無空氣阻力的彈道飛行最大限度地增加射程，錢學森彈道用大氣層內的機動滑翔在增加射程的時候保證精度

但是，把桑格爾彈道和錢學森彈道相結合，不僅可以大大延長射程，還有助於有效轉接到大氣層內常規導彈的工作條件。桑格爾彈道在最終自由下落時，速度和高度大大降低，使得釋放適當改裝的常規導彈成為可能。在洲際導彈的射程早已達到全球的情況下，大大延長射程依然是有重大意義的，這可以大大減小導彈的尺寸和重量，不僅降低成本，也有助於機動發射。更重要的是，這有助於把彈道導彈戰術化。不難想像，中程彈道導彈以常規反艦導彈或者空空導彈為載荷的話，採用桑格爾-錢學森彈道之後，可以在幾千公里的範圍上對敵人的艦艇和飛機造成巨大的威脅。當然，在這樣的距離上發現目標和指揮控制依然是巨大的挑戰，但具有足夠長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鍵一步。

據說DF-21D用錢學森彈道增加射程和實現彈道導彈反艦，但與桑格爾彈道結合的話，不僅進一步增加射程，還大大提高飛行速度，增加攔截難度

另外，隨著反彈道導彈技術的進步，彈道導彈突防的成功關鍵在於變軌。在外層空間變軌需要大量拋射火箭燃氣，成本和難度較高，變軌幅度也有限。桑格爾-錢學森彈道更容易實現變軌，代價是速度有所降低，但機動的高超音速飛行依然是反導攔截的巨大難題。由於彈道導彈沿固定的拋物線彈道飛行，導彈起飛後不久，就能判斷整個飛行軌跡和命中目標。這也是反導攔截的基礎。反導導彈向來襲導彈預計彈道沿途中最有利的攔截髮射，位置守株待兔，只需要有限的機動能力以補償彈道計算的誤差。但高超音速機動飛行的話，守株待兔就不管用了，需要對目標有較大的能量差才能保證有效攔截，主要是在攔截終點要有比目標更高的速度和更大的機動性。由於高超音速導彈的預警時間本來就有限，反導系統要具有相當大的射程才能有效保護己方目標，但這對反導導彈的加速、射程、機動性、終端速度的要求進一步提高，攔截難度實際上超過了速度更高但固定彈道的純彈道導彈。

美國研究全球打擊系統已經多年，但尚在理論研究和技術驗證階段。中國的發射成功震動了美國軍界，這是比航母更加令美國憂心的殺手鐧，日本、印度就徹底默不作聲了。

更長遠來說，如果再入的導彈裝備了適合超高空和高超音速飛行的超燃衝壓發動機的話，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的基礎。

當然，嫦娥系列是和平利用空間的努力，但這並不排除有關空間技術具有軍事應用的潛力。要實現可機動的桑格爾彈道，嫦娥返回器基本為鈍頭圓錐的外形並不理想，而應該是接近微型太空梭那樣的升力體。但這是可貴的第一步。