航天器是如何返回到地球的，一文帶你瞭解航天器返回技術

從二十世紀開始，人類就開始了對宇宙的不懈探索，從無人航天到載人航天再到登陸月球，技術在不斷地進步發展，但不管載人航天器在太空停留多久，最終總要返回地球。所以人類的宇宙飛行，其實決定於航天器的返回技術。今天我們就來了解一下航天器返回技術。

航天器返回技術發展史

40年代末，隨着戰爭的結束，已經科技的進步與發展，美蘇開始了近30年的太空競賽，美國、蘇聯曾利用繳獲、仿製和改進的德國V-2導彈改裝成地球物理探測火箭，把一些探測儀器和實驗生物發射到100公里以上的高度後進行回收。隨着導彈射程的增加，彈頭的再入速度越來越大，氣動加熱問題日益嚴重。

因爲我們要知道，物體與空氣或其他氣體作高速相對運動時所產生的摩擦力會轉化爲熱力，產生氣動加熱現象的一個重要因素是速度，所以飛行速度越快,飛行器表面氣動加熱就越嚴重。

尤其是載人航天器的返回艙在距離地面70公里—40公里的高度以每秒數千米的速度穿越稠密大氣層時，返回艙表面溫度會達到1000－2000攝氏度，如果不採取有效的防熱降溫措施，整個返回艙將會像隕石一樣被燒爲灰燼。

1959年，美國使用降落傘完整地回收了洲際導彈的實驗彈頭，顯示了燒蝕防熱的有效性和應用氣動減速原理的可能性。於是，美、蘇兩國開始積極研究衛星返回技術。

燒蝕防熱是靠燒蝕材料受熱分解和氧化燃燒帶走熱量的防熱方法，燒蝕材料被包覆在需要防熱的殼體表面，在受熱分解和氧化燃燒過程中通過熱解氣體和燃燒產物的不斷流失將熱量從殼體表面帶走，從而獲得熱防護效果。

在經過了多次的研究之後，美國的燒蝕防熱技術開始非常成熟，燒蝕防熱技術的最大優點是安全、可靠，適應流場變化的能力強。尤其是在高熱流條件下，它是唯一可行的一種防熱方法。它的缺點是僅能一次性使用。常用的燒蝕防熱材料主要有高溫熔化、低溫碳化和直接昇華三類。

而除了要解決熱防問題之外，還有就是如何保證生命在航天器內可以生活，那麼它就必須要具備小型環境控制/生命保障系統。要建立並控制適合生命生存的人工環境；並保證在軌飛行微重力條件下生命的進食；實現對生物搭載艙及生命信息的實時監控，包括它們極端環境耐受程度、新陳代謝情況、飲食特點甚至是廢物排出量。

神九天宮對接構建的小型環境控制/生命保障系統

最後就是要研究衛星和飛行環境的特點，做到對許用質量、電源品種及容量，裝載時間甚至是發射和回收過程等條件成竹在胸。

在經過了10年的實驗探索之後，1960年8月11日，美國首次在海上成功地回收了“發現者”13號彈射出的一個再入密封艙。1960年8月20日，兩隻小狗“別爾卡”和“斯特列爾卡”從太空返回地面，成爲首次實現高等動物空間軌道飛行試驗和回收任務的“英雄”。

“別爾卡”和“斯特列爾卡”從太空返回地面

1961年4月12日，蘇聯哈薩克共和國的拜科努爾宇宙發射場上騰空而起的“東方”號宇宙飛船載着人類第一個衝出地球的宇航員——加加林飛上太空遨遊，又安全降落在薩拉托夫州斯莫路夫斯卡村田野，這一成熟的返回技術爲人類揭開了載人航天的新紀元。

加加林

美國的阿波羅登月返回則預示着人類返回技術又達到了一個新的高度，如何離開月球表面。我們知道，月球的重力爲地球的六分之一，這使得航天器在擺脫月球表面和離開月球軌道時相對於地球更加容易。科學家在“阿波羅11號”上，裝有一臺推力1.6噸的上升發動機，該發動機點火後只需4分鐘左右的時間便可推動其進入月球軌道，隨後“阿波羅11號”在拋棄登月艙後開啓服務艙發動機獲得更大的速度，使其脫離月球軌道奔向地球軌道。

阿波羅號返回地球

航天器返回原理

航天器在軌道上的運動是在地心力場作用下，基本按天體力學規律運動，改變運行速度可使航天器脫離原來的運行軌道而轉入另一條軌道，若速度的變化可轉向進入地球大氣層的軌道，則可能實現返回。航天器從外層空間返回地面須經歷離軌、過渡、再入和着陸4個階段。

離軌：利用火箭發動機的衝量來改變航天器的運行速度，使它轉入一條能進入地球大氣層的過渡軌道，是最有效的強制離軌方法。具有變軌能力的航天器（如“哥倫比亞”號航天飛機、“阿波羅”號飛船、“聯盟”號飛船）直接由變軌發動機提供離軌衝量。無變軌能力的航天器（如“水星”號飛船、“雙子星座”號飛船、“東方”號飛船、“發現者”號衛星）則須有專門的制動火箭。

SpaceX BFR的地月轉移軌道

過渡：從離開原運行軌道到進入大氣層爲止，航天器在大氣層外沿過渡軌道返回時基本按天體力學規律運動。返回起點不同，航天器沿過渡軌道返回的航程長短也相差懸殊。從月球返回的航程長達40萬公里，歷時60小時。根據需要，航天器在途中可再次啓動變軌發動機修正軌道，以確保穿入再入走廊。

而環地軌道返回的過渡段較短，僅數百至數千公里，歷時幾分鐘至幾十分鐘，航天器不再作軌道修正，由離軌條件保證其安全返回。

在過渡階段結束之前，旋轉穩定的返回艙需要消旋，以便返回艙利用氣動力穩定在防熱層迎流的狀態；具有姿態控制能力的返回艙則須調整到防熱端面朝前的姿態，爲返回艙再入大氣層作好準備。航天飛機則以尾部朝前上方的姿態，由變軌發動機制動脫離環地軌道，在過渡段再由姿態控制系統將自身調頭,保持頭部朝前,以30°俯仰角的姿態再入大氣層。

再入：再入航天器以宇宙速度進入大氣層將經受嚴酷的再入環境，但通過再入航天器氣動外形的合理設計和再入軌道控制，可以使航天器在再入大氣層過程中既達到減速目的，又保證制動過載和氣動加熱不超過允許的限度。

中國再入返回飛行試驗器任務動畫演示

按航天器氣動特性和軌道特徵，再入有彈道再入和升力再入兩種方式。

① 彈道再入：再入體進入大氣層(見返回軌道)運動時只產生阻力不產生升力，或雖產生升力但對升力大小和方向不加控制，這稱爲彈道再入。

② 升力再入：再入航天器進入大氣層運動時產生一定可控制的升力，稱升力再入。再入航天器在升力作用下會沿滑翔式軌道或跳躍式軌道滑行。

緩衝着陸：再入航天器進入大氣層後受到空氣阻力 (D)的作用，其方向與速度方向相反，大小與大氣密度 (ρ)、飛行速度(V)的平方以及表示再入體形狀特徵的阻力面積(CDA)成正比, 公式爲：1/2ρV^ 2CDA。地球大氣雖然稀薄（尤其是高層大氣），但如果再入體有較大的阻力面積，氣動阻力所產生的減速仍足以將其速度大大減小。至今再入航天器都是利用地球大氣層這一天然條件，實現了氣動減速。

而在下降到20公里以下的高度時達到穩定下降速度。如果不進一步採取減速措施，返回艙將以150～200米/秒的穩定下降速度衝向地面,這是不能允許的。爲此，返回艙必須有回收系統，逐級展開氣動力減速裝置(如降落傘)，使返回艙進一步減速。

之後以一定速度垂直下降，利用緩衝裝置安全着陸或濺落。

航天飛機具有相當大的機動滑翔能力，亞音速氣動力特性能使它在預定場地的跑道上水平着陸。水平着陸是多次重複使用的航天飛機的先決條件。

航天器返回完整過程

航天器返回技術特點

返回技術是複雜的綜合性技術，爲使航天器安全返回和準時定點着陸，返回控制和制導、再入大氣層的防熱、回收和着陸是返回技術的關鍵。航天器的返回按技術特點則可以分爲：彈道式返回、半彈道式返回和滑翔式返回三類。

第一種是採用彈道式返回的航天器，像炮彈一樣，沿着一條很陡峭的路徑返回，在穿越大氣層時不產生升力，因而不能進行落點控制，所以落點偏差較大，並且過載比較大（可達8g～9g），接近人體所能承受的極限。落點散佈也比較大。

航天器返回到地球表面的任務主要包括：實現將宇宙飛行速度減速到落地前的開傘速度；保證再入過程空氣產生的力、熱等效應滿足任務需求；保證再入飛行安全並着陸到要求的落區範圍 。

紅線是彈道式再入，飛船將遭受更高的加速度，並可能對航天員造成危險

蘇聯和美國早期的返回式航天器都採用這種形式，如蘇聯的“東方”號、“上升”號飛船和美國的“水星”號飛船。

第二種是採用彈道－升力式返回的航天器，它一般都採用鐘形結構，在穿越大氣層時產生一定的升力，因而能夠對其飛行軌跡進行一定控制，落點準確度比較高，過載也較小（不大於4g）。美國的“阿波羅”號系列飛船、俄羅斯的“聯盟”號系列飛船和中國的“神舟”號系列飛船採用的都是這種返回着陸方式。阿波羅號飛船採用的彈道－升力式返回。

最後一種就是水平着陸，水平着陸返回的航天器也就是有翼返回航天器，最典型的就是美國的航天飛機。它的外形與飛機相似，可實現水平着陸。這種着陸方式過載最小（約1.5ｇ），是航天員感覺最舒服的着陸方式，而且航天飛機控制能力很強，落點精度很高，可以在指定的機場跑道上着陸，也可以重複使用。

科學家在這三類航天器技術又會進行專門的改進，以及優化，所以各類航天器的返回技術都會略有差別，但是總體屬於這三類之中。

總結

航天器返回技術是人類探索宇宙的核心關鍵技術，這也是爲什麼這麼多年以來，人類一直在不斷改進航天器返回技術，讓宇航員承載的負荷變得更小，讓人類探索宇宙變得更爲輕鬆便捷，從而爲未來星際旅行創造條件。