明查｜嫦娥六號“31馬赫讓全世界更加文明了”？嫦娥五號就已實現(xiàn)

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相較之下，嫦娥六號有更加值得關(guān)注的技術(shù)突破：突破了月球逆行軌道設(shè)計與控制技術(shù)、月背智能采樣技術(shù)、月背起飛上升技術(shù)，實現(xiàn)了世界首次月球背面自動采樣返回，再次創(chuàng)造了中國航天的世界紀錄。

事件背景

嫦娥六號返回器于6月25日準確著陸于內(nèi)蒙古四子王旗預定區(qū)域，工作正常，這標志著探月工程嫦娥六號任務取得圓滿成功，實現(xiàn)世界首次月球背面采樣返回。在此次返回前，社交平臺已經(jīng)流傳說法稱，嫦娥六號返回速度“超越時代”，“31馬赫，讓全世界更加文明了”，“31馬赫是西方50年都難以追趕的”。這類說法準確嗎？嫦娥六號有哪些新突破？

網(wǎng)傳說法截圖

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“馬赫”的正確打開方式

馬赫數(shù)是速度與音速的比值，其代表的是局部流速相比較介質(zhì)音速的倍數(shù)，而音速（即聲音的傳播速度）在不同高度、溫度與大氣密度等狀態(tài)下具有不同數(shù)值，因此馬赫并不是一個固定的數(shù)字單位，即無量綱量（常見的無量綱量還包括圓周率等）。1馬赫的速度一般默認是標準大氣壓下（海平面）聲音在15℃空氣中的傳播速度，即約340米/秒。

NASA的研究機構(gòu)Glenn Research Center指出，飛機在空中飛行時，附近的空氣分子會受到干擾，并在飛機周圍移動，在高速飛行時，飛機的部分能量會壓縮空氣，局部改變空氣密度。這種壓縮效應會改變飛機所受的力，速度越快，這種效應就越重要。飛機的速度與氣體中的聲速之比，即馬赫，決定了許多壓縮性效應的大小，常應用于空氣動力學（aerodynamics）研究中。

Glenn Research Center對馬赫數(shù)的釋義

《西北工業(yè)大學學報》發(fā)表的《馬赫角與馬赫數(shù)關(guān)系的簡潔推導》指出，“由于超聲速（文中指supersonic，學界常用以表示處于15馬赫數(shù)之間的速度）物體與氣體的相互作用比較復雜，通常利用計算流體力學理論得到數(shù)值解，如果能避開復雜的相互作用力，建立合適的物理模型，得到小擾動波動方程的解析解，這一工作將對人們從另一角度認識超聲速流中小擾動的傳播有一定的理論意義。”可見，在一般氣體條件下，馬赫數(shù)常用以簡化計算步驟。

而嫦娥六號重返地球的過程，涉及高超音速（hypersonic，意味著馬赫數(shù)大于25）飛行器返回大氣層的再入動力學（reentry dynamics）。在此條件下，氣流溫度非常高，以至于其中雙原子分子的化學鍵被破壞，分子斷裂后會在飛機周圍產(chǎn)生帶電等離子體，加之海拔高、空氣密度小，飛行器的下表面會產(chǎn)生強烈的沖擊波，因此，再入大氣層的實現(xiàn)確實是高難度課題。換言之，進入地球大氣層時，飛行器會受到重力和與空氣粒子摩擦所產(chǎn)生的阻力等多種力的作用，阻力能夠減緩重力對飛行器的作用，但同時也會產(chǎn)生極度高溫，因此控制飛行速度和再入角度至關(guān)重要。

在上述空氣條件下，31馬赫可以代表約10.6千米/秒的速度。根據(jù)國家航天局發(fā)布的信息，“嫦娥六號返回器在距地面高度約120公里處，以接近第二宇宙速度（約為11.2千米/秒）高速在大西洋上空第一次進入地球大氣層，實施初次氣動減速。”嚴謹來說，用馬赫描述嫦娥六號的返回速度需要同時說明音速條件。

另外，實現(xiàn)登月的基本條件就是脫離地球引力束縛，發(fā)射速度至少需要達到第二宇宙速度11.2千米/秒，這也是歷來所有成功的探月任務必備的飛行速度。

嫦娥六號的返回速度和方式是世界首次嗎？

實際上，根據(jù)國家航天局通報，嫦娥六號返回器速度與2020年的嫦娥五號基本一致，“嫦娥五號返回器在距地面高度約120公里處，以接近第二宇宙速度（約為11.2千米/秒）高速進入地球大氣層，實施初次氣動減速。下降至預定高度后，返回器向上躍出大氣層，到達最高點后開始滑行下降。之后，返回器再次進入大氣層，實施二次氣動減速。”而這種返回方式，即半彈道跳躍式再入返回，也出現(xiàn)于嫦娥六號返回過程。

2020年12月，就嫦娥五號返回技術(shù)，航天科技集團五院專家曾向澎湃新聞解釋，“就像在太空中‘打水漂’，返回器先是高速進入大氣層，再借助大氣層提供的升力躍出大氣層，然后再以第一宇宙速度扎入大氣層，返回地面，整個過程環(huán)環(huán)相扣，將在15分鐘內(nèi)完成。”“‘打水漂’就是為了讓返回器在大氣層中的飛行和再次升高的過程中消耗足夠多的能量，從而把速度降下來。” 由此可見，在我國，嫦娥六號返回器的返回速度和方式早已于2020年就已經(jīng)實現(xiàn)。

需要指出的是，在此之前，美國阿波羅登月計劃以及蘇聯(lián)的Zond系列月球探測任務也曾通過跳躍的方式實現(xiàn)再入返回。半彈道跳躍式再入返回是基于我國航天器實際情況進行的再設(shè)計。

阿波羅11號再入時進行了一次向上跳躍以躲避氣流，不過并沒有跳出大氣層。

Zond 6再入返回時曾兩次進入大氣層完成跳躍式返回。

在嫦娥五號基礎(chǔ)上，嫦娥六號擁有除了返回速度之外更值得關(guān)注的“閃光點”。國家航天局副局長卞志剛介紹，嫦娥六號任務是中國航天史上迄今為止技術(shù)水平最高的月球探測任務，實現(xiàn)了“三大技術(shù)突破”和“一項世界第一”。即突破了月球逆行軌道設(shè)計與控制技術(shù)、月背智能采樣技術(shù)、月背起飛上升技術(shù)，實現(xiàn)了世界首次月球背面自動采樣返回，再次創(chuàng)造了中國航天的世界紀錄。

嫦娥五號任務是在月球正面采樣返回，嫦娥六號任務則是在鵲橋二號中繼星的支持下，實施月球背面采樣返回。應對新挑戰(zhàn)，嫦娥六號任務總設(shè)計師胡浩介紹，作為嫦娥五號的備份，嫦娥六號的生產(chǎn)時間比較長，執(zhí)行任務之前，科研人員對產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性進行了深入梳理，使整個系統(tǒng)能夠更健全、更健康、更可靠。此外，科研人員在較短時間內(nèi)從頭開始研制了鵲橋二號中繼星，并克服困難，開展了大量試驗和驗證工作。

綜上，網(wǎng)傳文章中稱“展現(xiàn)強大實力”的嫦娥六號返回時速度和半彈道跳躍式再入返回方式其實并非首次實現(xiàn)，我國在2020年嫦娥五號返回時就已經(jīng)達成。相較之下，嫦娥六號有更加值得關(guān)注的技術(shù)突破：突破了月球逆行軌道設(shè)計與控制技術(shù)、月背智能采樣技術(shù)、月背起飛上升技術(shù)，實現(xiàn)了世界首次月球背面自動采樣返回，再次創(chuàng)造了中國航天的世界紀錄。