另一部航天史

杜駿豪

轉(zhuǎn)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(shí)不時(shí)便會(huì)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(huì)灰飛煙滅，少見的大流星體因?yàn)闊o法燃盡，會(huì)落在地面上成為珍貴的隕石。

環(huán)繞在大氣層之外的不僅僅有宇宙塵埃，還有衛(wèi)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(shí)也會(huì)像流星一樣與大氣層劇烈摩擦、燃燒發(fā)光，而這個(gè)墜入的過程便是航天領(lǐng)域所說的“再入”。

近地軌道并不是完全真空的狀態(tài)，這里還有微量的大氣分子。運(yùn)行在這個(gè)軌道上的人造天體在高速運(yùn)行時(shí)會(huì)與這些大氣分子碰撞，導(dǎo)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(yùn)行在預(yù)定軌道上，往往會(huì)攜帶一部分推進(jìn)劑來抵消碰撞帶來的影響。然而，如果這些推進(jìn)劑消耗殆盡，或是人造天體發(fā)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(wù)，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(jù)統(tǒng)計(jì)，平均每天都會(huì)有一個(gè)在軌航天器或其構(gòu)件再入大氣層。失控再入往往是一個(gè)漫長的過程，因?yàn)閺膸装偾椎能壍栏叨鹊酱髿鈱觾?nèi)部可能需要幾個(gè)月甚至幾年的時(shí)間。唯一可以確定的事情是：我們很難對(duì)失控天體的再入時(shí)間與地點(diǎn)進(jìn)行預(yù)報(bào)。

1978年1月24日，蘇聯(lián)的Kosmos954核動(dòng)力衛(wèi)星失控再入，這個(gè)3.8噸的大家伙于加拿大西北部墜毀并產(chǎn)生了大量放射性碎片，加拿大政府向蘇聯(lián)索要了超過600萬加元的清理費(fèi)用，而蘇聯(lián)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(shè)施，現(xiàn)代航天工作者更傾向于使人造天體在受控狀態(tài)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(fā)動(dòng)機(jī)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(zhǔn)確地人工調(diào)控它的再入時(shí)間與位置。一般而言，往往會(huì)選擇在廣闊的大洋上空再入。

1979年7月11日，美國第一個(gè)環(huán)繞地球的空間站——重達(dá)80噸的天空實(shí)驗(yàn)室再入大氣層，這個(gè)龐然大物的再入牽動(dòng)著地面上無數(shù)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(gè)小鎮(zhèn)里，小鎮(zhèn)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(jìn)步M1-5飛船多次反推，俄羅斯和平號(hào)空間站軌道被人為降低，有著15年輝煌歷史的和平號(hào)空間站于斐濟(jì)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(wèi)星等再入時(shí)，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(shí)航天器的外形也要經(jīng)過特殊的氣動(dòng)設(shè)計(jì)。

蘇聯(lián)早期的再入返回艙多是球形的，球形返回艙再入時(shí)會(huì)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(shù)難度。蘇聯(lián)的東方號(hào)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(shù)難度降低了，但球形的返回艙再入時(shí)無法精準(zhǔn)調(diào)整姿態(tài)，完全以類似拋物線的軌道下落，導(dǎo)致其著陸點(diǎn)難以預(yù)測與調(diào)整。執(zhí)行世界上首次載人飛行任務(wù)時(shí)，航天員加加林的著陸點(diǎn)偏離了預(yù)定著陸點(diǎn)400千米，導(dǎo)致著陸點(diǎn)附近的兩位農(nóng)民誤以為他是美國空降來的間諜。

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，人類在隔熱涂層技術(shù)和飛行姿態(tài)控制等領(lǐng)域取得了長足的進(jìn)步，錐形的再入返回艙逐漸興起。與球形返回艙相比，錐形結(jié)構(gòu)的返回艙不會(huì)混亂地滾轉(zhuǎn)，有更高的穩(wěn)定性與安全性，同時(shí)可以通過調(diào)節(jié)錐底與大氣層的夾角來控制再入時(shí)的飛行軌跡，對(duì)落地點(diǎn)進(jìn)行精確調(diào)控。阿波羅登月飛船返回艙、聯(lián)盟號(hào)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(jié)構(gòu)。前往擁有大氣層的地外星體的探測器的著陸器也多被設(shè)計(jì)為錐形，比如祝融號(hào)、好奇號(hào)與毅力號(hào)火星車著陸器、著陸在土衛(wèi)六上的惠更斯號(hào)探測器等等。

此外，航天飛機(jī)這類結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的航天器再入時(shí)的情況又會(huì)特殊一些。航天飛機(jī)的底部鋪滿了黑色隔熱瓦，以對(duì)抗再入時(shí)上千攝氏度的高溫等離子體烈焰。然而2003年2月1日，在執(zhí)行第28次任務(wù)重返大氣層時(shí)，哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)突然失聯(lián)，最終在美國得克薩斯州上空爆炸解體，機(jī)上7名航天員全數(shù)罹難。這起悲劇發(fā)生的原因就是發(fā)射時(shí)燃料箱表面脫落的一塊泡沫材料擊中了航天飛機(jī)左翼前端的隔熱材料，導(dǎo)致再入返回時(shí)高溫氣體沖入機(jī)身內(nèi)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(xiàn)在已經(jīng)成為一種處理太空垃圾的有效辦法。但不可否認(rèn)的是，再入階段卻仍舊是載人航天過程中危險(xiǎn)系數(shù)最高的階段之一。幸運(yùn)的是，如今的人類已經(jīng)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。