再入航天器返回過程簡介

摘 要：再入航天器的返回技術是當今航天和軍事兩大領域的關鍵技術，本文中對再入航天器的返回原理及過程作概括性的介紹。

關鍵詞：再入航天器再入速度再入角制動

中圖分類號：V412文獻標識碼：A文章編號：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規律運行的各類飛行器。分為進入式航天器和非進入式航天器。執行完任務后要進入行星大氣并在行星上著陸的航天器叫進入式航天器。不進入行星大氣的航天器稱為非進入式航天器。從地球上發射進入太空，完成任務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、空天飛機和彈道式導彈等；再入航天器的返回過程就是指再入航天器脫離原來的運行軌道，再入到地球大氣層并在地面安全著陸的的過程。

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準情況下再入大氣層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，著陸時為垂直著陸。彈道式載入航天器由于升阻比等于0，所以結構和防熱很簡單，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上，通過配置再入器質心的辦法，使再入器再入大氣層時產生一定的升力即為彈道-升力式再入航天器。其質心在偏離中心軸線一小段的地方，這樣航天器再入大氣時產生一個不大的攻角，同時產生一個不大的升力，所產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構簡單和防熱易于處理的特點，同時又適當的利用升力，在一定程度上克服了彈道式的缺點。因而在需要降低最大減速過載和減小著陸點散布的場合下，彈道升力式再入器被廣泛應用。

1.3 升力式再入航天器

升力再入器是再入大氣層時產生一定可控制的升力，可以再入器達到水平著陸的程度。水平著陸可以規避垂直著陸再入器的著陸沖擊過載和不易控制的著陸點散布問題。同時為再入器重復使用創造條件。該再入器升阻比一般大于1，配置質心的方法無法達到，所以在采用不對稱的升力體（可帶翼也可不帶翼）。這種再入器設計非常復雜。

2 再入航天器的返回過程

航天器從環繞地球的運行軌道經大氣的氣動阻力減速直至返回地面，要經歷以下五個階段：如圖所示o、為再入航天器調整姿態的起始點，o為制動火箭開始工作點，p為制動火箭工作結束點，e為再入到大氣層的再入點，f為開傘點，c為著陸點(如圖1）。

2.1 制動前的調姿段

再入航天器在地球引力作用下的運行姿態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，以減小軌道周期變化，所以其姿態不是制動姿態，因此在制動前的o、-o的這一飛行階段要進行姿態調整，使再入飛行器在制動點的姿態改為制動姿態，即制動火箭工作要求的姿態。通常這一姿態是滿足某一性能指標的最佳姿態。如果再入航天器不返回部分要繼續運行或拋棄，該階段還要將航天器姿態調整到適合不返回部分與返回部分分離的狀態，分離后之后再調整到制動狀態。

2.2 制動段

也稱為離軌飛行段，即o-p段。在這一飛行過程中航天器受到地球引力作用，還受到火箭發動機推力的作用從而離開原來的運行軌跡進入一條引向地面的軌道。航天器返回地面必須要用制動發動機產生的推力減小航天器的飛行速度，或者改變其飛行方向，或同時改變速度和方向。制動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。先由姿態控制系統調整航天器的姿態，使其縱軸與當地水平面成一角度θ(稱制動角)，這時的縱軸方向稱為制動方向。制動火箭的推力沿制動方向作用一段時間，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轉變為V2，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的運行軌道，轉入一條新的橢圓軌道。精確控制制動方向和制動火箭的沖量可以使航天器轉入的過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。制動段為返回軌道中的動力飛行段，對制動段軌道設計和制導任務有以下三個重要內容：①制動點位置的建立；②制動參數的選擇；③制動段關機方程的建立。

2.3 過度段

也成為大氣層外自由飛行段， 即p-e階段。e點大氣層的邊界實際上只是人為劃分的，一般取80～120km。在過渡段航天器的質心軌道一般不加以控制單姿態要進行控制。航天器僅在地球引力的作用下自由下降飛行。過度段的軌道可由航天器在p點的速度、位置和在地球引力作用下自由飛行段的運動規律求得，航天器在e點的速度稱為再入速度，再入速度與當地水平面的夾角稱為再入角。航天器的再入狀態，即再入點位置，載入速度和再入角對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工作正常的條件下，航天器能夠在再入走廊內進入大氣層，通過大氣層的最大過載及其持續時間在規定的范圍之內。產生的熱量不會損壞再入器，以及再入器在指定的區域內著陸。

2.4 再入段

為e-f段，從再入點e開始空氣動力對航天器的影響不能忽略。f點對于降落傘著陸系統指降落傘開傘高度；而對于升力再入器指，地面開始導航的高度。再入器除受到地球引力外還受到空氣動力的作用，使該階段是整個返回過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。當受到阻力減速時，航天器以及內部航天員又受到減速過載的作用。同時超高速再入器與迎面氣流的猛烈壓縮和摩擦產生的熱能又使再入器的表面溫升高。由于氣動加熱和減速過載以及落點精度控制三個問題，使再入段成為返回軌道中環境最惡劣、情況最復雜的一段，再入段的設計、制導和控制則成為返回軌道設計、制導方法研究的重點。

2.5 著陸段

該段為發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。航天器經再入氣動減速后在下降到15km左右的高度時達到穩定下降速度(航天器所受的氣動阻力與其重力相等時的下降速度)。大約為100～200m/s，再入航天器利用著落減速系統，逐級展開氣動力減速裝置(如降落傘)，使返回艙進一步減速，直至安全著陸或濺落。升力式再入航天器再用水平著陸系統，當航天器下降到大約25km左右的高度，氣動力作用可以控制活動翼面作機動飛行或下滑時開始，再入器受導航系統引導下滑機動飛行，最后達到直線軌道，在一定高度放下起落架，作水平著陸。