再入航天器返回過(guò)程簡(jiǎn)介

摘 要：再入航天器的返回技術(shù)是當(dāng)今航天和軍事兩大領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，本文中對(duì)再入航天器的返回原理及過(guò)程作概括性的介紹。

關(guān)鍵詞：再入航天器再入速度再入角制動(dòng)

中圖分類號(hào)：V412文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X(2011)06(c)-0088-01

航天器是指地球大氣層以外的宇宙空間按照天體力學(xué)規(guī)律運(yùn)行的各類飛行器。分為進(jìn)入式航天器和非進(jìn)入式航天器。執(zhí)行完任務(wù)后要進(jìn)入行星大氣并在行星上著陸的航天器叫進(jìn)入式航天器。不進(jìn)入行星大氣的航天器稱為非進(jìn)入式航天器。從地球上發(fā)射進(jìn)入太空，完成任務(wù)后再入到地球大氣層并在地球上著陸的航天器稱為再入航天器也可稱為返回式航天器。例如返回艙、航天飛機(jī)、空天飛機(jī)和彈道式導(dǎo)彈等；再入航天器的返回過(guò)程就是指再入航天器脫離原來(lái)的運(yùn)行軌道，再入到地球大氣層并在地面安全著陸的的過(guò)程。

1 再入航天器分類

從再入航天器在再入大氣層后的氣動(dòng)特性的不同，再入航天器可分為三類：

1.1 彈道式再入航天器

彈道式再入航天器是指返回艙在標(biāo)準(zhǔn)情況下再入大氣層時(shí)只產(chǎn)生阻力不產(chǎn)生升力，或雖產(chǎn)生升力但對(duì)升力大小和方向不加控制，著陸時(shí)為垂直著陸。彈道式載入航天器由于升阻比等于0，所以結(jié)構(gòu)和防熱很簡(jiǎn)單，因而是載人飛船最先采用的一種方式。

1.2 彈道-升力式再入航天器

在彈道式再入航天器的基礎(chǔ)上，通過(guò)配置再入器質(zhì)心的辦法，使再入器再入大氣層時(shí)產(chǎn)生一定的升力即為彈道-升力式再入航天器。其質(zhì)心在偏離中心軸線一小段的地方，這樣航天器再入大氣時(shí)產(chǎn)生一個(gè)不大的攻角，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)不大的升力，所產(chǎn)生的升力一般不大于阻力的一半，所以升阻比小于0.5。著陸方式也是垂直著陸。由于彈道升力式再入器保持了彈道式再入器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和防熱易于處理的特點(diǎn)，同時(shí)又適當(dāng)?shù)睦蒙Γ谝欢ǔ潭壬峡朔藦椀朗降娜秉c(diǎn)。因而在需要降低最大減速過(guò)載和減小著陸點(diǎn)散布的場(chǎng)合下，彈道升力式再入器被廣泛應(yīng)用。

1.3 升力式再入航天器

升力再入器是再入大氣層時(shí)產(chǎn)生一定可控制的升力，可以再入器達(dá)到水平著陸的程度。水平著陸可以規(guī)避垂直著陸再入器的著陸沖擊過(guò)載和不易控制的著陸點(diǎn)散布問(wèn)題。同時(shí)為再入器重復(fù)使用創(chuàng)造條件。該再入器升阻比一般大于1，配置質(zhì)心的方法無(wú)法達(dá)到，所以在采用不對(duì)稱的升力體（可帶翼也可不帶翼）。這種再入器設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。

2 再入航天器的返回過(guò)程

航天器從環(huán)繞地球的運(yùn)行軌道經(jīng)大氣的氣動(dòng)阻力減速直至返回地面，要經(jīng)歷以下五個(gè)階段：如圖所示o、為再入航天器調(diào)整姿態(tài)的起始點(diǎn)，o為制動(dòng)火箭開(kāi)始工作點(diǎn)，p為制動(dòng)火箭工作結(jié)束點(diǎn)，e為再入到大氣層的再入點(diǎn)，f為開(kāi)傘點(diǎn)，c為著陸點(diǎn)(如圖1）。

2.1 制動(dòng)前的調(diào)姿段

再入航天器在地球引力作用下的運(yùn)行姿態(tài)是不與地球大氣層相交的橢圓軌道或圓軌道，一般希望保持零攻角狀態(tài)，以減小軌道周期變化，所以其姿態(tài)不是制動(dòng)姿態(tài)，因此在制動(dòng)前的o、-o的這一飛行階段要進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，使再入飛行器在制動(dòng)點(diǎn)的姿態(tài)改為制動(dòng)姿態(tài)，即制動(dòng)火箭工作要求的姿態(tài)。通常這一姿態(tài)是滿足某一性能指標(biāo)的最佳姿態(tài)。如果再入航天器不返回部分要繼續(xù)運(yùn)行或拋棄，該階段還要將航天器姿態(tài)調(diào)整到適合不返回部分與返回部分分離的狀態(tài)，分離后之后再調(diào)整到制動(dòng)狀態(tài)。

2.2 制動(dòng)段

也稱為離軌飛行段，即o-p段。在這一飛行過(guò)程中航天器受到地球引力作用，還受到火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力的作用從而離開(kāi)原來(lái)的運(yùn)行軌跡進(jìn)入一條引向地面的軌道。航天器返回地面必須要用制動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力減小航天器的飛行速度，或者改變其飛行方向，或同時(shí)改變速度和方向。制動(dòng)火箭沿縱軸安裝在航天器上，使火箭的推力矢量與縱軸一致。先由姿態(tài)控制系統(tǒng)調(diào)整航天器的姿態(tài)，使其縱軸與當(dāng)?shù)厮矫娉梢唤嵌圈?稱制動(dòng)角)，這時(shí)的縱軸方向稱為制動(dòng)方向。制動(dòng)火箭的推力沿制動(dòng)方向作用一段時(shí)間，使航天器在這一方向上獲一附加速度ΔV。于是航天器的速度由V1轉(zhuǎn)變?yōu)閂2，雖然V2與V1的量值變化不大，但方向的變化卻可使航天器脫離原來(lái)的運(yùn)行軌道，轉(zhuǎn)入一條新的橢圓軌道。精確控制制動(dòng)方向和制動(dòng)火箭的沖量可以使航天器轉(zhuǎn)入的過(guò)渡軌道介于再入走廊的上下界之間，保證航天器安全再入大氣層。制動(dòng)段為返回軌道中的動(dòng)力飛行段，對(duì)制動(dòng)段軌道設(shè)計(jì)和制導(dǎo)任務(wù)有以下三個(gè)重要內(nèi)容：①制動(dòng)點(diǎn)位置的建立；②制動(dòng)參數(shù)的選擇；③制動(dòng)段關(guān)機(jī)方程的建立。

2.3 過(guò)度段

也成為大氣層外自由飛行段， 即p-e階段。e點(diǎn)大氣層的邊界實(shí)際上只是人為劃分的，一般取80～120km。在過(guò)渡段航天器的質(zhì)心軌道一般不加以控制單姿態(tài)要進(jìn)行控制。航天器僅在地球引力的作用下自由下降飛行。過(guò)度段的軌道可由航天器在p點(diǎn)的速度、位置和在地球引力作用下自由飛行段的運(yùn)動(dòng)規(guī)律求得，航天器在e點(diǎn)的速度稱為再入速度，再入速度與當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角稱為再入角。航天器的再入狀態(tài)，即再入點(diǎn)位置，載入速度和再入角對(duì)航天器能否安全返回的有決定性的影響。所謂安全返回指的是在假定著陸系統(tǒng)工作正常的條件下，航天器能夠在再入走廊內(nèi)進(jìn)入大氣層，通過(guò)大氣層的最大過(guò)載及其持續(xù)時(shí)間在規(guī)定的范圍之內(nèi)。產(chǎn)生的熱量不會(huì)損壞再入器，以及再入器在指定的區(qū)域內(nèi)著陸。

2.4 再入段

為e-f段，從再入點(diǎn)e開(kāi)始空氣動(dòng)力對(duì)航天器的影響不能忽略。f點(diǎn)對(duì)于降落傘著陸系統(tǒng)指降落傘開(kāi)傘高度；而對(duì)于升力再入器指，地面開(kāi)始導(dǎo)航的高度。再入器除受到地球引力外還受到空氣動(dòng)力的作用，使該階段是整個(gè)返回過(guò)程中最有特征的飛行段，利用大氣層使再入器減速下降，并消耗其巨大的能量。當(dāng)受到阻力減速時(shí)，航天器以及內(nèi)部航天員又受到減速過(guò)載的作用。同時(shí)超高速再入器與迎面氣流的猛烈壓縮和摩擦產(chǎn)生的熱能又使再入器的表面溫升高。由于氣動(dòng)加熱和減速過(guò)載以及落點(diǎn)精度控制三個(gè)問(wèn)題，使再入段成為返回軌道中環(huán)境最惡劣、情況最復(fù)雜的一段，再入段的設(shè)計(jì)、制導(dǎo)和控制則成為返回軌道設(shè)計(jì)、制導(dǎo)方法研究的重點(diǎn)。

2.5 著陸段

該段為發(fā)f-c段，再入航天器著陸有垂直著陸和水平著陸兩種。彈道式或彈道-升力式再入航天器采用垂直方式，使用降落傘著陸系統(tǒng)。航天器經(jīng)再入氣動(dòng)減速后在下降到15km左右的高度時(shí)達(dá)到穩(wěn)定下降速度(航天器所受的氣動(dòng)阻力與其重力相等時(shí)的下降速度)。大約為100～200m/s，再入航天器利用著落減速系統(tǒng)，逐級(jí)展開(kāi)氣動(dòng)力減速裝置(如降落傘)，使返回艙進(jìn)一步減速，直至安全著陸或?yàn)R落。升力式再入航天器再用水平著陸系統(tǒng)，當(dāng)航天器下降到大約25km左右的高度，氣動(dòng)力作用可以控制活動(dòng)翼面作機(jī)動(dòng)飛行或下滑時(shí)開(kāi)始，再入器受導(dǎo)航系統(tǒng)引導(dǎo)下滑機(jī)動(dòng)飛行，最后達(dá)到直線軌道，在一定高度放下起落架，作水平著陸。