國外深空探測再入返回技術(shù)發(fā)展分析

盧波（北京空間科技信息研究所）

迄今為止，國際上已有美國、蘇聯(lián)/俄羅斯及日本發(fā)射了深空采樣返回探測器，實現(xiàn)了月球、彗星粒子、太陽風(fēng)粒子和小行星粒子再入返回。我國的“嫦娥工程”正按照“繞、落、回”3個步驟穩(wěn)步實施。而作為探月三期關(guān)鍵技術(shù)之一的再入返回，將突破從近地空間以外的天體返回和再入地球的技術(shù)，并已完成了探月一期、二期任務(wù)，為我國后續(xù)的月球探測和其他深空探測活動奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 國外深空探測再入返回技術(shù)現(xiàn)狀

航天器在地球軌道或深空完成任務(wù)后，重新進(jìn)入地球大氣層，并在地球著陸的過程稱為再入返回。通常以120km為開始大氣層再入的高度，航天器在這一高度的速度稱為再入速度，速度方向與當(dāng)?shù)厮椒较虻膴A角稱為再入角。航天器從地球軌道返回的再入速度為7.8km/s（即第一宇宙速度），從月球返回的再入速度接近11.2km/s（即第二宇宙速度），從行星返回的再入速度約為13～21km/s（視具體行星而定）。

再入返回的軌道方式有3種：①彈道式再入，航天器進(jìn)入大氣層后升力為零或?qū)ιΣ贿M(jìn)行控制，返回艙以單調(diào)下降方式返回地面；②半彈道式再入，航天器進(jìn)入大氣層后依靠自身結(jié)構(gòu)或外形的不對稱產(chǎn)生一定升力，使其按一條較平緩的軌道下降；③升力式再入，航天器進(jìn)入大氣層時可控制升力的大小和方向，進(jìn)入段航程和時間較長，再入過載小，落點精度高。對于深空返回任務(wù)，由于再入速度高，多采用一種“跳躍式”的半彈道式再入軌道，即航天器以較小再入角進(jìn)入大氣層，依靠升力再次沖出大氣層，做一段彈道式飛行后第二次再入大氣層，可減少過載和提高落點精度。

對于從繞月軌道返回的航天器，必須由變軌發(fā)動機(jī)在預(yù)定時刻將航天器速度加速到2.4km/s（即月球逃逸速度），使它在距地球3.8×105km以外就轉(zhuǎn)入一條向地球返航的過渡軌道。從月球返回的航程歷時約60h，中途需進(jìn)行軌道修正，以確保航天器進(jìn)入再入走廊。

蘇聯(lián)于1968年11月發(fā)射的探測器－6（Zond－6）在完成繞月飛行返回地球時，首次實現(xiàn)了跳躍式再入（Skip-reentry），隨后發(fā)射的美國“阿波羅”（Apollo）載人飛船在完成月球登陸和采樣后也采用這種方式返回地球。而蘇聯(lián)的“月球”（Luna）系列、美國的“星塵”（Stardust）和“起源”（Genesis）、日本的“隼鳥”（Hayabusa）等無人深空探測返回任務(wù)，則采用了較簡單的彈道式再入方式。

著陸后的美國“星塵”返回艙

美國的深空任務(wù)再入返回

美國已完成的深空探測采樣返回任務(wù)主要有1999年發(fā)射的“星塵”彗星粒子采樣返回任務(wù)、2001年發(fā)射的“起源”太陽風(fēng)粒子采樣返回任務(wù)和“阿波羅”載人登月任務(wù)。“阿波羅”計劃開始于1961年，至1972年12月第6次登月結(jié)束，共進(jìn)行了9次載人月球任務(wù)，包括2次月球軌道任務(wù)和7次月球著陸任務(wù)。其中，6次成功將12名航天員送上月球，獲得了380kg月巖樣本返回地球。

（1）“星塵”探測器

美國“星塵”是世界上第一個完成彗星采樣返回的探測器，于1999年2月7日發(fā)射，其返回艙攜帶彗星塵埃粒子于2006年1月14日返回地球。其再入速度達(dá)到12.9km/s，是目前深空任務(wù)再入返回速度最大的。

“星塵”發(fā)射質(zhì)量為385kg，其中探測器干質(zhì)量254kg，返回艙質(zhì)量約46kg，肼燃料85kg。探測器外形為長方體結(jié)構(gòu)，尺寸為1.7m×0.66m×0.66m。其平臺兩側(cè)裝有面積為6.6m2的雙太陽電池翼，主平臺結(jié)構(gòu)的前端還裝備了夾層式碎片防護(hù)屏，用于在與彗星相遇期間保護(hù)探測器不受彗星粒子的撞擊。其返回艙為直徑81cm的鈍錐形結(jié)構(gòu)，包括熱防護(hù)層、背板、采樣罐、減速傘以及相關(guān)電子系統(tǒng)。其中，采樣罐是一個鉸鏈蛤殼式機(jī)械裝置，飛經(jīng)彗發(fā)時，蛤殼打開，伸出采樣板。完成樣品收集后，采樣板縮回密封艙，蛤殼自動關(guān)閉并密封。

美國“星塵”再入及著陸過程示意圖

“星塵”返回艙在再入前約4h與主星一起起旋然后分離，此時探測器距地球約110728km，分離后返回艙的自旋速率為13.5r/min。2006年1月14日，返回艙以12.9km/s的速度、－8.2°的再入角從125km高度采用彈道式再入地球大氣層。“星塵”是目前深空探測任務(wù)再入返回速度最快的探測器，其再入過載達(dá)到38g，駐點熱流密度峰值達(dá)到12MW/m2。進(jìn)入大氣層52s時（約61km高度），返回艙經(jīng)歷峰值氣動摩擦熱，熱防護(hù)層外部溫度可達(dá)2700℃。在速度降到Ma約為1.37時，錐形減速傘打開；下降到3.1km高度時主傘（直徑5.2m）打開，隨后激活特高頻（UHF）位置信標(biāo)，返回艙以4.6m/s的速度著陸地面。在再入過程中，地面根據(jù)遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行實時落點預(yù)測，地面回收由直升機(jī)完成，最后的落點與預(yù)測落點偏差為±0.73km，距著陸區(qū)中心8.1km。

“星塵”返回艙采用鈍錐臺外形，直徑81cm，總質(zhì)量45.8kg，防熱結(jié)構(gòu)占22%。防熱大底采用新型低密度防熱材料酚醛浸漬碳燒蝕材料（PICA），材料密度為250kg/m3。倒錐的熱防護(hù)采用技術(shù)成熟的SLA-56lV材料，材料密度約為240kg/m3。美國的“海盜”（Viking）、“火星探路者”（Mars Pathfinder）、“鳳凰”（Phoenix）著陸器在進(jìn)入火星大氣時均采用了這種熱防護(hù)材料。

美國“起源”返回艙著陸時摔裂

（2）“起源”探測器

美國“起源”于2001年8月8日發(fā)射，2004年9月8日返回地球。由于返回艙的重力開關(guān)裝置出現(xiàn)故障，使降落傘未能及時打開，造成“起源”返回艙在沙漠著陸時摔裂，一半撞入土中。

“起源”的發(fā)射質(zhì)量為636kg，其中探測器干質(zhì)量494kg，燃料質(zhì)量142kg。其主平臺采用石墨光纖復(fù)合材料和鈦鋁合金制成，采樣返回艙安裝在平臺的頂部，太陽電池翼（翼展為7.9m）邊緣安裝有低增益貼片天線。返回艙是一個直徑1.52m、高0.81m的雙頭鈍錐體，包括熱防護(hù)罩、后殼、采樣罐、降落傘系統(tǒng)和電子設(shè)備，其中的采樣罐內(nèi)裝有太陽風(fēng)粒子采集器陣列和離子集中器，利用中心旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置來展開采集器陣列。

返回艙在再入前4h與主星同時起旋然后分離，分離后返回艙的自旋速率為15r/min，并以彈道式軌道向地球飛去。2004年9月8日，返回艙以約11.02km/s的速度、－8.25°的再入角采用彈道式再入地球大氣層，其最大再入過載為32g，駐點熱流密度峰值達(dá)到7MW/m2。在下降到約33km高度時，打開錐形減速傘（直徑2.03m）；下降到6.7km高度時，按計劃主傘（10.5m×3.lm）應(yīng)打開。然而，由于重力開關(guān)裝置發(fā)生故障，主傘沒能打開，返回艙以88.9m/s的速度墜落在尤他州沙漠上，返回艙摔裂變形。

原計劃返回艙的地面回收由直升機(jī)完成，并實時進(jìn)行落點預(yù)測。由于主傘沒能打開，返回艙下降速度過快，直升機(jī)未能捕獲返回艙。

“起源”返回艙也采用鈍錐臺外形，直徑1.52m，與“星塵”具有相似的氣動特性。返回艙（包括降落傘系統(tǒng)）總質(zhì)量約210kg，防熱結(jié)構(gòu)占18%。由于過載大，“起源”的防熱大底采用了雙層防熱結(jié)構(gòu)，外層為碳-碳復(fù)合材料，材料密度1800kg/m3，內(nèi)層為碳纖維隔熱材科。倒錐采用SLA-561V材料，防熱層膠結(jié)在基體結(jié)構(gòu)上。

（3）“阿波羅”載人月球飛船

美國從1961－1972年實施了“阿波羅”載人登月計劃，1968年12月21日發(fā)射的阿波羅－8執(zhí)行了人類的首次載人月球軌道任務(wù)。1969年5月18日發(fā)射的阿波羅－10任務(wù)執(zhí)行了第二次載人月球軌道任務(wù)，目的是在月球環(huán)境下對飛船全系統(tǒng)進(jìn)行綜合驗證，為“阿波羅”載人登月任務(wù)做全面的演練。1969年7月－1972年12月，美國向月球發(fā)射了阿波羅－11～17共7艘載人登月飛船，除阿波羅－13中途中止任務(wù)返回地球外，其余6艘飛船登月成功，將12名航天員送上月面，首次實現(xiàn)了人類對月球的實地考察。

“阿波羅”載人月球飛船采用了半彈道跳躍式的再入返回方式，利用自身滾轉(zhuǎn)控制實現(xiàn)升力方向的控制。指令艙的返回采用了和蘇聯(lián)探測器－6類似的再入策略，由于有更好的氣動升力特性（“阿波羅”飛船升阻比系數(shù)約為0.3，探測器－6約為0.23），因而“阿波羅”指令艙采用了更大的再入角和更強(qiáng)的升力控制實施再入。與探測器－6相比，“阿波羅”指令艙再入航程更短，著陸精度也更好控制。

阿波羅－11指令艙以11km/s的速度、－6.5°的再入角，從122km處再入大氣層。再入后80s左右，再入過載達(dá)到最大的6.73g，駐點熱流密度峰值約為4MW/m2。高度下降到55km左右時出現(xiàn)了“彈跳”現(xiàn)象，并在再入后256s左右“彈跳”到最高點67km，此后飛行高度一直下降直至開傘著陸。再入航程約為2780km，落點位置為169.15°（W）、13.30°（N），實際落點與理論落點偏差約為50km，地面采用海上濺落回收方式。

美國“阿波羅”飛船的指令艙-服務(wù)艙組合體

根據(jù)探測器－6和“阿波羅”載人月球飛船的再入返回軌跡的對比可以看出，跳躍式再入有穿出與不穿出大氣層兩種情況，無論哪種都可以利用大氣阻力來實現(xiàn)地球捕獲以及返回艙減速。另外，通過升力控制可實現(xiàn)半彈道式再入飛行，達(dá)到降低加速度過載峰值和減小落點散布的目的。特別是不穿出大氣后的跳躍式再入，由于再入航程相對更短，落點散布也更好控制。

“阿波羅”載人月球飛船由指令艙、服務(wù)艙和登月艙三部分組成，飛船長約18m，質(zhì)量約45t。其中，指令艙是全飛船的控制中心，也是最終攜帶航大員和月球樣品再入返回地球的返回艙。指令艙高3.5m，底部直徑3.9m，質(zhì)量約6t（包括航天員）。指令艙氣動外形為大頭朝前的球錐，配平飛行時可提供約0.3的升阻比。指令艙燒蝕材料采用石英纖維和酚醛微球加強(qiáng)的環(huán)氧酚醛材料AVco 5026-39G，材料密度為497kg/m3。

蘇聯(lián)/俄羅斯的月球探測再入返回

蘇聯(lián)是第一個掌握航天器再入返回技術(shù)的國家，也是首個掌握深空無人自動采樣返回技術(shù)的國家。

蘇聯(lián)的月球計劃主要包括“月球”系列和“探測器”系列，其中月球－16、20和24完成了月球自動采樣返回，共帶回月壤樣品335g。1970年9月12日發(fā)射的月球－l6，開創(chuàng)了無人探測器自動挖取月球巖石樣品并送回地球的先河。

“探測器”系列進(jìn)行了月球再入返回試驗，其中，1968年9月發(fā)射的探測器－5是人類首顆繞飛月球并成功返回地球的航天器，采用了簡單的彈道式再入，再入過載高達(dá)16g，這是載人任務(wù)中航天員無法承受的。而1968年11月發(fā)射的探測器－6首次實現(xiàn)了深空探測器的跳躍式再入，再入過載減小到7g，為載人任務(wù)創(chuàng)造了條件，開辟了深空任務(wù)再入返回技術(shù)的新途徑，具有里程碑意義。

（1）“月球”系列

“月球”是蘇聯(lián)1959－1976年期間發(fā)射的無人月球探測器系列，共發(fā)射了24個，其中15個獲得成功，包括5次采樣返回任務(wù)，其中3次（月球－16、20、24）獲得成功。

用于采樣返回任務(wù)的“月球”（以月球－16為例）在月面停留26h左右完成采樣（采樣約110g），在將樣品轉(zhuǎn)移到返回艙后，根據(jù)地面指令，上升級（包括返回艙與儀器艙）點火從月面起飛，加速到2.7km/s后，發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)，開始3天的彈道返回飛行。在距地球約4.8×104km處，返回艙與儀器艙分離。返回艙在120km高度以約11.2km/s的再入速度，采用彈道方式再入地球大氣層。經(jīng)過空氣動力學(xué)配重，覆蓋燒蝕材料的返回艙下部指向飛行方向。在再入過程中，返回艙頭部最高溫度超過10000℃，過載達(dá)50g。當(dāng)返回艙下降到14.5km處，此時速度約300 m/s，打開漏斗形減速傘（0.5m2）信標(biāo)。在下降到11km時，其減速傘分離，打開主傘（10m2），同時4個鞭狀天線展開，發(fā)射機(jī)開始工作，隨后2個長圓柱氣球充氣膨脹，以保證返回艙以垂直姿態(tài)著陸。

“月球”返回艙采用球臺作為氣動外形，是直徑0.5m的金屬球，質(zhì)量約36kg，其中防熱結(jié)構(gòu)約占48%。返回艙外表面覆有石棉熱防護(hù)涂層和玻璃填充材料，正面部分最厚處達(dá)35mm。

（2）“探測器”系列

蘇聯(lián)月球－16返回艙

“探測器”系列是蘇聯(lián)在1964－1970年期間進(jìn)行的無人深空探測任務(wù)，包括探測月球和行星。在1967－1970年期間，蘇聯(lián)利用探測器－4～8進(jìn)行了月球繞飛再入返回試驗，目的是為載人登月做準(zhǔn)備。因此，探測器－4～8采用“聯(lián)盟”（Soyuz）飛船的簡化設(shè)計，包括服務(wù)艙和返回艙。隨著美國“阿波羅”計劃的成功，蘇聯(lián)載人登月計劃最終擱淺。

蘇聯(lián)1968年9月發(fā)射的探測器－5是人類首顆繞月飛行并成功返回地球的無人航天器。探測器－5采用了較簡單的彈道式直接再入方式，以11km/s的再入速度、－5°～－6°的再入角進(jìn)入地球大氣層。進(jìn)入大氣層后進(jìn)行了非常陡峭的彈道式下降飛行，在距地面7km高度左右展開了降落傘，并于12min后濺落在印度洋，離最近的回收船105km。探測器－5的再入過程中經(jīng)受的過載峰值達(dá)到16g，如此大的過載大大超過了航天員所能承受的極限。熱防護(hù)層的溫度高達(dá)13000℃，落點偏差達(dá)到1000km以上。除了過載大，這種彈道式的返回方式使返回艙無法在蘇聯(lián)本土著陸和回收。

為降低再入過載峰值并提高落點精度，蘇聯(lián)1968年11月發(fā)射的探測器－6采用了半彈道的跳躍式再入大氣方式，第一次再入大氣的再入角為－5°～－6°，再入速度為11km/s。由于半彈道式再入氣動升力的作用，探測器－6不再像探測器－5那樣一直沿非常陡峭的下降軌道飛行，而是先下降到50～60km高度，然后在升力的作用下向上飛行并穿出大氣層，經(jīng)過一段大氣層外的彈道飛行后，探測器－6第二次再入大氣層，繼續(xù)以半彈道式模式飛行。當(dāng)飛行高度下降到7.5km，速度降到200m/s左右時，降落傘系統(tǒng)啟動，完成著陸。探測器－6再入過載峰值降低到約7g，落點偏差減小到700～800km。

蘇聯(lián)月球－16著陸器

蘇聯(lián)探測器－5示意圖

航天器跳躍式再入示意圖

日本“隼鳥”小行星采樣探測器

探測器－6采用了全新的再入飛行控制策略，整個再入飛行過程中飛行高度存在明顯的起伏變化現(xiàn)象，這種再入策略被稱為跳躍式再入。該策略構(gòu)思巧妙，充分利用大氣阻力減速實現(xiàn)了地球捕獲。探測器－6第一次再入穿出大氣層時飛行速度已由11km/s下降到7.6km/s左右，滿足了地球捕獲條件，節(jié)省了制動減速捕獲所需的額外推進(jìn)劑消耗；另外，利用航天器本身的升力實現(xiàn)了半彈道式再入飛行，較好地降低了再入過載峰值和落點散步。探測器－6開辟了深空飛行再入返回技術(shù)研究的新途徑，具有里程碑意義。隨后的探測器－7和8也采用了同樣的再入策略。

“探測器”系列探測器由返回艙和儀器艙組成。系統(tǒng)總質(zhì)量約5.5t，其中返回艙質(zhì)量約3.1t，有效容積2.5m3。其返回艙外形采用了與“聯(lián)盟”類似的大頭朝前的球錐外形，再入速度約11km/s，最大再入過載約7g，可在±300～±400km的范圍內(nèi)控制著陸點。

日本的小行星采樣任務(wù)再入返回方式

日本是繼美、俄之后第3個開展月球和行星探測的國家。其“隼鳥”計劃是世界首個小行星采樣返回任務(wù)，任務(wù)目標(biāo)是探測糸川小行星并采樣返回。“隼鳥”于2003年5月9日由日本M－V運載火箭發(fā)射，2010年6月13日返回，飛行過程歷時7年，期間經(jīng)歷了種種故障。

“隼鳥”于2005年11月到達(dá)糸川小行星，經(jīng)過一系列軌道調(diào)整和儀器校準(zhǔn)，進(jìn)行了下降操作和實施采樣，以及投放“密涅瓦”（MINERVE）微型機(jī)器人，但未能成功投放。探測器通過向小行星投擲撞擊彈丸，并利用喇叭裝置完成了采樣。接到地面指令后，軌控發(fā)動機(jī)點火，探測器進(jìn)入距小行星10km的圓軌道，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運行后，向地面發(fā)出完成取樣的信息，請求返航。接到地面允許返航指令后，氙離子發(fā)動機(jī)開始工作。2007年7月，“隼鳥”成功脫離小行星軌道，開始返回。2010年6月3日，地面指令氙離子發(fā)動機(jī)連續(xù)噴射，進(jìn)行再入前的最后一次軌道修正。5日，離子發(fā)動機(jī)停止噴射。13日，再入艙與探測器分離，滑行3h后再入地球大氣層。

“隼鳥”再入艙以12.5km/s的速度、－10°的再入角采用彈道式方式再入地球大氣層，最大過載到達(dá)25g左右，駐點峰值熱流約10MW/m2。當(dāng)距地面約10km時，降落傘彈出；隨后，牽引傘、減速傘、引導(dǎo)傘和主傘相繼打開，使再入艙進(jìn)一步減速。再入艙于當(dāng)?shù)貢r間10：00降落在澳大利亞南部伍默拉（Woomera）地區(qū)。地面根據(jù)再入艙發(fā)出的信標(biāo)信號計算出再入艙的著陸位置，實施回收。

“隼鳥”密封再入艙成功著陸

部分深空探測任務(wù)與近地軌道再入返回裝置的基本參數(shù)

“隼鳥”再入艙采用鈍球錐外形，直徑約0.4m，長度約0.25m，質(zhì)量約20kg，其中防熱結(jié)構(gòu)約占43%。防熱大底和倒錐均采用中高密度的碳酚醛燒蝕材料，材料密度為1400kg/m3。

2 深空任務(wù)與近地軌道飛行再入返回的對比

我國是繼美、俄之后第3個掌握航天器返回技術(shù)的國家，具有豐富的近地軌道返回技術(shù)經(jīng)驗。

通過以上對比，可以看出：

1）深空返回與近地軌道返回最根本的區(qū)別在于，深空再入返回速度顯著增大。例如，月球再入返回速度接近11.2km/s，近地軌道再入速度則為7.6m/s，而行星探測任務(wù)再入返回速度將更高。這就使得深空任務(wù)返回艙設(shè)計時面臨諸多問題，其中最主要的是氣動過載和氣動加熱。

2）深空探測返回艙的再入熱環(huán)境較近地軌道返回艙要惡劣的多，特別是在采用彈道式再入的小型返回艙上尤為突出。為降低探測器大氣再入時的總加熱量和駐點熱流密度的峰值，深空再入返回任務(wù)的氣動外形一般選擇大鈍頭加倒錐的外形。

3）深空返回任務(wù)除了再入速度高，再入過程也與近地軌道返回任務(wù)有較大差異。近地軌道返回艙與航天器分離后很快就再入大氣層開始減速；而深空返回任務(wù)中，返回艙與探測器分離后，要經(jīng)歷一段自由滑行（約3～4h）才能進(jìn)入大氣層，此時返回艙已不具備姿軌控能力。深空返回任務(wù)一般采用自旋方式來保證再入前的姿態(tài)穩(wěn)定，設(shè)計氣動外形時，應(yīng)盡量使飛行方向與自旋軸重合，同時自旋軸應(yīng)為最大慣量主軸，以保證返回艙的姿態(tài)穩(wěn)定。

4）采用彈道式直接再入的返回艙在與主星分離后，就無法再進(jìn)行任何的姿態(tài)和軌道調(diào)節(jié)，對軌道設(shè)計、主星的分離釋放和地面的落點預(yù)報能力有較高的要求。而半彈道跳躍式的返回艙在這些方面則要靈活的多，但其在系統(tǒng)配置和制導(dǎo)控制方案方面則要復(fù)雜一些，質(zhì)量也明顯要大得多。

5）從國外實踐來看，無人采樣返回任務(wù)采用了彈道式再入方式，而載人的或為載人準(zhǔn)備的深空探測任務(wù)則采用半彈道跳躍式再入方式。

6）半彈道跳躍式再入返回艙具有航程機(jī)動能力，能夠進(jìn)行航程調(diào)整，落點精度較高，已成為載人深空返回任務(wù)的基本再入方式。