刍议航天器的再入返回

刍议航天器的再入返回

周昌伟 1詹少坤 2霍礼壮 3

1.2.3北京航天长征飞行器研究所 北京 100076

摘要：近年来，我国航天事业迅速发展，取得了举世瞩目的成就。2020年12月17日，“嫦娥五号”探月返回器携带月球样本在内蒙古四子王旗预定区域成功安全着陆，标志着我国首次地外天体采样返回任务圆满完成。而航天器的返回技术作为一项复杂的综合性技术则成为航天工程关注的重点。基于此，本文对航天器返回的技术特点以及返回过程作一个简单探讨。

关键词：航天器；再入返回

前言：作为航天工程中的重要工具，航天器按照在太空执行完任务后是否安全返回地球可划分为返回式和非返回式两种。其中，完成任务后其整体或一部分需再入地球大气层并在地面安全着陆的航天器，称为返回式航天器。返回式卫星、航天飞机、载人飞船返回舱以及探月返回器都属于返回式航天器。非返回式航天器是指从地球上发射进入太空，完成任务后不再返回地球或者返回地球时不要求安全着陆地面（可能在再入大气层过程中烧毁）的航天器。在使用返回式航天器完成相应任务时，为保证其着陆安全性，应加强对航天器再入返回技术的研究。

1航天器再入返回方式分类

航天器在地心力场作用下，按照天体力学规律在轨道上运动。改变航天器的运动速度可使航天器脱离原来的运行轨道而转入一条飞往地球并能进入大气层的轨道。航天器应用变轨原理迈出返航第一步，其后根据航天器再入地球大气层后气动特性的差异，可将航天器再入返回方式划分为三种类型。

1.1弹道式再入返回

航天器再入大气层过程中，只产生阻力不产生升力，或虽产生升力但对升力大小和方向不加控制，称为弹道式再入返回。

弹道系数又称质阻比，是弹道式再入航天器质量和外形等物理特征的综合表征参数。弹道式再入航天器通常被设计成钝头和轴对称旋成体外形，具有较小的弹道系数，从而有利于在大气层中飞行时减速。弹道式再入航天器升阻比L/D（升力与阻力的比值）为0，再入减速过程中会产生较大的制动过载，往往接近甚至超出人体所能承受的极限，同时航天器不能进行落点控制，因此落点散布比较大。上世纪60年代前苏联的"东方"号飞船返回舱和美国的"水星"号飞船返回舱，都是典型的弹道式再入航天器。

1.2弹道-升力式再入返回

在弹道式再入返回的基础上，通过配置再入航天器质心的方法，使航天器再入大气层时产生一定的升力（一般不超过阻力的一半，即航天器升阻比L/D小于0.5），这种方式称为弹道-升力式再入返回，也称为半弹道式再入返回。

使弹道式再入航天器产生升力最简单的方法是将其质心配置在偏离中心轴线一小段距离处，此时航天器再入大气层飞行会产生一定的攻角（称为配平攻角），相应地产生一定的升力，这样就可以将最大制动过载减小至人体可承受的范围。同时弹道-升力式再入返回能够实现对航天器飞行轨道一定程度的控制（一般为跳跃式轨道滑行），有利于提高落点精度。美国的“阿波罗”号系列飞船、中国的“神舟”号系列飞船返回舱以及“嫦娥五号”返回器采用的都是弹道-升力式再入返回方式。

1.3滑翔式再入返回

通过偏置再入航天器质心位置的方式使航天器获得的升力是有限的，升阻比L/D一般小于0.5。如果将再入航天器的外形设计成非旋成体，并设置机翼，则可以大大提高升力。这种形似飞机的再入航天器称之为升力体，其升阻比L/D一般大于1。这样的升阻比能使航天器在大气层内作较大范围的机动滑翔，并可实现水平着陆，这种再入返回方式称之为滑翔式再入返回。

航天器采用滑翔式再入返回方式较前两种方式产生的制动过载更小，水平着陆还可以规避垂直着陆带来的冲击过载和不易控制的着陆点散布问题。滑翔式再入返回最典型的代表是美国的航天飞机，它的外形与飞机相似，升阻比达到1.3~3.0。航天飞机再入大气层后能机动滑翔数千公里，可以像普通飞机一样在指定的跑道上水平着陆，是航天员感觉最舒服的着陆方式。 

2 航天器再入返回过程

航天器返回地球应用的是变轨原理，强制航天器脱离原来的运行轨道再入地球大气层实现返回。采用这种方法，航天器从外层空间到返回地面需要经历制动、过渡、再入和着陆4个阶段。

2.1制动阶段

又称为离轨飞行阶段。航天器在制动阶段，利用火箭发动机推力产生的冲量脱离原有运行轨迹，进入一条能进入地球大气层的过渡轨道，从而实现强制离轨。航天器返回地面需要使用制动发动机产生一定推力，以此减缓航天器飞行速度，或直接改变其飞行方向。制动发动机的推力沿制动方向作用一段时间，可使航天器脱离最初的运行轨道，并转入一条新的椭圆轨道。而精准控制制动方向和制动发动机冲量，能使航天器转入的过渡轨道处于再入走廊的上下界之间，从而保证航天器再入大气层的安全性。

2.2过渡阶段

又称为大气层外自由飞行阶段。从脱离原运行轨道到进入地球大气层为止，航天器在大气层外沿过渡轨道返回时基本按天体力学规律自由飞行。返回起点不同，航天器沿过渡轨道运行的航程长短也相差较大。比如，从月球返回地球的航程长达40万千米，历时约60小时，航天器在途中可再次启动发动机修正轨道，以确保进入再入走廊。而环地轨道返回的过渡阶段较短，仅数百至数千公里，历时几分钟至几十分钟，航天器中途不再进行轨道修正，由离轨条件保证其安全返回。

2.3再入阶段

地球大气层边界实际上是人为进行划分的边界，通常取80~120千米高度。当航天器以宇宙速度穿过大气层时，气动加热会使航天器表面温度急剧升高（最高能达到几千摄氏度）。航天器的减速还会使航天器内的人员和设备受到制动过载作用，保证制动过载不超过人体或设备所能承受的限度，也是实现安全返回的必要条件。

通过合理地选择再入航天器的气动外形和再入点参数，并通过一定的再入轨道控制，可以有效减小航天器的制动过载，降低航天器表面的热流密度，从而改善航天器的再入力热环境。即便如此，再入航天器仍需设置防热系统以防止航天器再入过程中被烧毁，并保证航天器内部人员和设备所需的温度环境。根据再入环境的不同，弹道式、弹道-升力式再入航天器一般采用烧蚀式防热系统，航天飞机一般采用辐射式防热系统。

2.4着陆阶段

航天器再入返回的着陆方式可分为垂直着陆和水平着陆两种，其中弹道式和弹道-升力式再入返回采用垂直着陆方式，且配置回收系统，具体过程为：航天器经过再入气动减速，在下降到15千米左右的高度时达到稳定下降速度（大约100~200米/秒），此时航天器凭借回收系统，逐级展开气动力减速装置（如降落伞等），进一步减速直至以较小速度垂直下降，安全着陆或溅落地面。航天飞机再入飞行至大约25千米高度时，在气动力作用下控制活动翼面，使其受导航系统引导下滑机动飞行，最后达到直线轨道，并在一定高度放下起落架，作水平着陆。水平着陆是航天飞机多次重复使用的前提条件。

结论：航天器返回技术是复杂的综合性技术，为使航天器安全返回，返回控制和制导、再入防热、回收和着陆是返回的关键技术。在设计再入返回航天器时，应选择合适的再入轨道形态（通常以弹道-升力式再入为主），并据此进行再入航天器气动外形设计和防热设计，同时为保证航天器再入的制动过载和落点精度满足要求，应提升航天器升阻比，加强对升力的控制能力，并重视对不同返回阶段的掌控。

参考文献

1. 杨晓雷,马兴华,刘旭宁等.月球返回舱跳跃式再入弹道设计方法研究[J].飞行力学,2017,35(02):64-68.

作者简介:周昌伟（1981.08-），男，回族，江苏省南京市，高级工程师，硕士研究生，单位：北京航天长征飞行器研究所，研究方向：飞行器总体设计