另一部航天史

杜駿豪

轉瞬即逝的流星可以說是地球人的“寵兒”，它總是承載著人們的愿望和希冀。若你在寂靜的深夜仰望天空，時不時便會看到一顆流星拖著長長的尾巴劃過天際。像這樣能夠用肉眼看到的流星體，一般直徑都有幾厘米。在高速墜落的過程中，它們與大氣層劇烈摩擦從而生熱、燃燒甚至爆炸，稍小的流星體會灰飛煙滅，少見的大流星體因為無法燃盡，會落在地面上成為珍貴的隕石。

環繞在大氣層之外的不僅僅有宇宙塵埃，還有衛星等人造天體。它們的尺寸一般比流星體大得多，墜入大氣層時也會像流星一樣與大氣層劇烈摩擦、燃燒發光，而這個墜入的過程便是航天領域所說的“再入”。

近地軌道并不是完全真空的狀態，這里還有微量的大氣分子。運行在這個軌道上的人造天體在高速運行時會與這些大氣分子碰撞，導致減速，并造成自身的軌道緩慢降低。人造天體為了能夠一直運行在預定軌道上，往往會攜帶一部分推進劑來抵消碰撞帶來的影響。然而，如果這些推進劑消耗殆盡，或是人造天體發生故障失去控制的話，那么保持軌道高度顯然就成了一件不可能完成的任務，這些人造天體最后的歸宿就是接觸到大氣分子稠密的大氣層，再入燒毀。據統計，平均每天都會有一個在軌航天器或其構件再入大氣層。失控再入往往是一個漫長的過程，因為從幾百千米的軌道高度到大氣層內部可能需要幾個月甚至幾年的時間。唯一可以確定的事情是：我們很難對失控天體的再入時間與地點進行預報。

1978年1月24日，蘇聯的Kosmos954核動力衛星失控再入，這個3.8噸的大家伙于加拿大西北部墜毀并產生了大量放射性碎片，加拿大政府向蘇聯索要了超過600萬加元的清理費用，而蘇聯最終僅支付了300萬加元的賠款。

為了防止人造天體失控再入大氣后砸中地面的人員或設施，現代航天工作者更傾向于使人造天體在受控狀態下再入。在人造天體壽命即將到期、燃料即將耗盡之前，提前讓它的發動機反向工作，使人造天體迅速減速，軌道迅速降低，這樣能夠比較準確地人工調控它的再入時間與位置。一般而言，往往會選擇在廣闊的大洋上空再入。

1979年7月11日，美國第一個環繞地球的空間站——重達80噸的天空實驗室再入大氣層，這個龐然大物的再入牽動著地面上無數人的心。最終，它順利于印度洋上空再入，只有少量殘骸墜落在澳大利亞西部的一個小鎮里，小鎮以“亂扔垃圾”為名向美國國家航空航天局（NASA）開具了一張400美元的罰單。2001年3月23日，地面工作人員操控進步M1-5飛船多次反推，俄羅斯和平號空間站軌道被人為降低，有著15年輝煌歷史的和平號空間站于斐濟上空再入，少量殘骸墜入南太平洋的指定海域中。

載人飛船、科研返回式衛星等再入時，需要保證航天員、科研載荷的安全。這就需要航天器表面覆蓋特殊的隔熱涂層，同時航天器的外形也要經過特殊的氣動設計。

蘇聯早期的再入返回艙多是球形的，球形返回艙再入時會不停翻滾，表面像“燒烤”一樣均勻受熱，一定程度上降低了隔熱涂層所需的技術難度。蘇聯的東方號載人飛船、探測火星和金星的著陸器均為球形。不過雖然隔熱涂層所需的技術難度降低了，但球形的返回艙再入時無法精準調整姿態，完全以類似拋物線的軌道下落，導致其著陸點難以預測與調整。執行世界上首次載人飛行任務時，航天員加加林的著陸點偏離了預定著陸點400千米，導致著陸點附近的兩位農民誤以為他是美國空降來的間諜。

隨著航天技術的發展，人類在隔熱涂層技術和飛行姿態控制等領域取得了長足的進步，錐形的再入返回艙逐漸興起。與球形返回艙相比，錐形結構的返回艙不會混亂地滾轉，有更高的穩定性與安全性，同時可以通過調節錐底與大氣層的夾角來控制再入時的飛行軌跡，對落地點進行精確調控。阿波羅登月飛船返回艙、聯盟號飛船返回艙、神舟系列載人飛船返回艙等均采用了相似的錐形結構。前往擁有大氣層的地外星體的探測器的著陸器也多被設計為錐形，比如祝融號、好奇號與毅力號火星車著陸器、著陸在土衛六上的惠更斯號探測器等等。

此外，航天飛機這類結構較為復雜的航天器再入時的情況又會特殊一些。航天飛機的底部鋪滿了黑色隔熱瓦，以對抗再入時上千攝氏度的高溫等離子體烈焰。然而2003年2月1日，在執行第28次任務重返大氣層時，哥倫比亞號航天飛機突然失聯，最終在美國得克薩斯州上空爆炸解體，機上7名航天員全數罹難。這起悲劇發生的原因就是發射時燃料箱表面脫落的一塊泡沫材料擊中了航天飛機左翼前端的隔熱材料，導致再入返回時高溫氣體沖入機身內部。

在人類探索宇宙的歷程中，“再入返回”從完全不受控到逐漸可控，甚至現在已經成為一種處理太空垃圾的有效辦法。但不可否認的是，再入階段卻仍舊是載人航天過程中危險系數最高的階段之一。幸運的是，如今的人類已經可以合理利用再入、駕馭再入，向著無窮的“星辰大海”深入探索了。