航天器返回地面有哪些关键环节

跟着几十年来航天技能的不断进步，航天器被送到太空履行完使命之后、还能回来一部分到地上已经是习以为常。

最早出于技能、本钱等方面的考虑，像是东方红一号这样的卫星送上天就不再回来了。回来式卫星的诞生大致始于军事侦查及疆土普查用处，在航天科技的前期摄影技能远不如现在，需求运用回来的底片冲洗照片，这就需求卫星或许仅有“收回桶”带着底片回来地上。后来跟着各项技能进步，特别是数码照相、数据传输等多个学科范畴的开展，回来式卫星开端应用于需求收回实验品的空间试验室。特别是后来载人航天的开展，与1957年滞留在太空的狗“莱卡”（英文名：Laika，俄语：Лайка）不同，载人航天明显要求航天员能安全履行完使命回到咱们的地球。我国的航天技能开展尽管起步稍晚，但早在1975年11月，我国发射并收回了第一颗回来式卫星FSW-1卫星，标志着我国成为继美苏之后、世界上第三个把握回来式卫星技能的国家。

FSW-1卫星下落（来历：springer，

https://link.springer.com/content/pdf/10.1007%2F978-1-4614-5043-6_4.pdf）

正是因为航天器想要再回来地上好不容易，并且面对着许多与发射时不同的特别情况，为了确保其成功就要在航天器牢靠性、安全性、通讯等多方面、多环节提更高的要求、做更多的作业，所以本钱就会大幅进步。所以相对航天发射这“万里长征”，航天器从头进入大气、回来地上的这“最终一步”，有必要谨言慎行，一旦不小心就可能功败垂成。十分闻名的“哥伦比亚号”航天飞机失事，就发作在行将回来地上的最终一刻，7名航天员罹难，查询以为它的崩溃与隔热资料受损有关，高温从左机翼融化了内部结构，酿成了悲惨剧。

哥伦比亚号航天飞机的崩溃惨剧被以为与隔热资料受损有关，高温从左机翼融化了内部结构（来历：纽约时报，https:///2008/12/31/science/space/31NASA.html）

那么，航天器最终的回来，有哪些常见的需求留意的方面呢？

脱离轨迹时的飞翔姿势、速度调整

假如是卫星、航天飞机等航天器，其回来就要脱离正在飞翔的轨迹，这对姿势调整和航天器制动的技能都有额定要求。即使是探月之类的长距离飞翔，回来地球也先进入地球轨迹，然后扔掉服务舱、指令舱等不需求的部分，让登陆舱脱离轨迹回来地上。

航天器脱离轨迹时的速度叫做再入速度，其与地平线所构成的俯角称为再入角，这些是其回来地球的“初始条件”，为了确保安全、顺畅，再入角的要求很严：再入角一般在3-7度，假如视点太大，航天器下降高度时大气密度改变很快，再入速度大，引起较大的空气阻力和冲突加热，对航天器各种安全功用要求太高，但假如再入角太小也无法从几百公里高度降下来，下降高度的速度太慢。假如是载人航天，还要考虑人体所本领受的制动的极限（10倍重力加速度），故而其再入角常常小于3度。

因而，航天器回来前需求先经过一系列的制动对其姿势、飞翔方向作调整。航天器调整姿势找好推动的方向后，还需求坚持姿势安稳，以确保制动推力方向的准确。一般这些调整、脱离轨迹都是靠航天器带着的小型助推火箭来操控，火箭的焚烧时刻、推力方向、推力巨细与时刻长短都会影响到再入速度和再入角的准确度，这就要求有活络而牢靠的制动发动机。还有些设计方案是让航天器下降高度进入大气再举高，运用大气减速的一起调整下一次下降进入大气的视点。

阿波罗飞船的再入角核算

（来历：https:///images_re-entry/fig2.jpg）

进入大气后的发热应对

世界中晒了太阳是极热、不晒太阳是极寒，航天器往往面对极点温度以及受热不均的问题，本就在控温方面做了许多作业，例如传感器监测、隔热罩、热管、风冷回路、电加热控温等等。而在回来舱进程中遭受的温度则是愈加极点的。

航天器在大气中阅历的绝不仅仅是冲突发热。航天器自身飞翔速度很大，并且下降进程中在地球引力效果下还会变得更快，航天器前面的空气快速、极度紧缩，因为气体的压强、体积和温度等物理性质的联系，这种紧缩能够让回来的航天器周围（首要是前端）的空气温度急速上升，其高温足以让固体发光、发热，咱们了解的流星发作的便是这样的进程。

依据核算，航天器在数百公里高、密度挨近真空的高层大气中，飞翔速度为3倍声速时前端温度超越300摄氏度，而当飞翔速度为6倍声速时约为1500摄氏度，而其从高空下降抵达离地上60-70千米时往往还有20倍声速，对应的温度能够高达上万度，这有必要选用办法来防止其焚毁。

首要连续方才谈到的姿势操控的一点，大气的气流千变万化，会使高速回来的航天器难以坚持固定的姿势，因而一般把回来舱做成不倒翁的形状，下降时的前端又大又圆、而后端较小，能够有用把气流会集在下降时的正面前端，咱们在博物馆看回来舱什物的时分常会留意到这一点。而头部这样一种钝形的平面，能确保被紧缩的空气发作的热量首要会集于这个钝形面，不容易影响到回来舱后边，就能够对这个钝形面的隔热多做文章，比方更健壮的结构、更好的隔热层、更多的烧蚀资料涂层等。经过这些技能，咱们能够让回来舱头部的温度操控在能够接受的规模（一般在1600开氏温度邻近）。

一般，航天器会选用两种应对高温的办法：烧蚀资料技能和隔热瓦（绝缘资料）技能。

航天飞机外表的隔热瓦（来历：Space Shuttle Endeavour atCalifornia Science Center，wiki图片上传于https:///photos/skinnylawyer/8143982281/）

烧蚀技能是给航天器外边的隔热层涂上烧蚀资料，这些资料一般气化热大、热容量大、绝热性好、向外界辐射热量的功用强，所以在温度升高时先发作气化、吸收许多热量，确保隔热层内的温度不会太高。咱们在博物馆看到的许多回来舱外表是一层黄色，一般是烧蚀资料的色彩。

而隔热瓦技能，则应用了多样的绝热原理，常见的有多孔资料、热反射资料和真空资料等，它们一块一块贴在航天器上，中心留有缝隙，在航天器从世界中回来、加热的时分热胀冷缩，刚好把航天器维护起来而不会构成揉捏、变形、掉落等问题。这些资料一般导热系数小，本领得住高温，还要在高温下能贴的住航天器外表，例如特别的二氧化硅瓦。

回来进程中的通讯

一般卫星在轨作业并不需求坚持不间断的监测和联络，许多卫星都是转到头顶才追寻和联络，但回来式卫星在下降进程中有必要愈加频频的对卫星进行准确丈量和全程盯梢，并依据实测轨迹参数对卫星的程序操控数据进行必要的操控和办理。这儿除了先进的实时通讯技能，还需求分外留意一个特别的自然现象：黑障区。

航天器要回来地上的话，有必要运用大气阻力和火箭推力将速度和高度都逐步下降下来。但出于燃料等多种要素，在下降的初期，因为航天器的重力势能与动能的交流，在高度下降的进程中其速度改变很小。

上一条咱们提到回来舱前端紧缩的空气达到了十分高的温度，实际上这样的温度还会使航天器邻近的气体“电离”，也便是变成带电粒子，在航天器周围构成等离子体鞘，这种现象会对电磁波发作发射、折射、吸收等效应，使得无线电波的最大可运用频率上升几千兆赫（kMHz=GHz，如下图纵坐标），乃至更多，足以使航天器与地上操控之间的直接通讯中止，持续时刻约12至13分钟，雷达也无法发现方针航天器，这个区域就称为“黑障区”（blackout），如上图所示。回来的航天器的最大加热发作在这个时刻段内，高度约为70公里。

温度（横坐标）越高，能运用的信号（signals）所需求的频率越高（来历：https://.au/spacelink/blackout.htm）

不过因为该区域空气密度急剧增大，航天器下降速度也在急剧下降。跟着飞翔器高度的下降，当速度下降到必定程度时（常在40-60公里高度），不再有满足的温度使气体分子电离，等离子体鞘就会免除，也便是黑障消失。黑障区的规模取决于回来航天器的外形、资料、再入速度、无线电的频率和功率等，假如无线电波频率挑选的适宜，也能够防止黑障现象。

落地速度的调整

如上条所述，尽管经过了制动和大气阻力，但航天器下降到离地较近（10-20公里）时速度依然十分大，为了尽快把速度降下来，一般还有配以下降伞（减速伞）。下降伞一来要能经得住航天器巨大的速度和质量，避免损坏、脱离，二来也要操控好翻开的时刻，翻开太晚了速度没减下来，但翻开太早了空气稀薄起不到减速效果，还会提早磨损下降伞（冲突、发热）。回来的航天器多选用两个乃至更多的下降伞，先用小下降伞恰当减速，最终用大的主下降伞操控落地速度。

阿波罗11号回来舱翻开下降伞的进程图解（来历：http://nassp.sourceforge.net/wiki/Earth_Landing_System）

收回

最终还有收回作业。假如是航天飞机则能够在跑道下降，但大部分的回来舱仅仅落在指定规模的区域，需求搜索乃至海上打捞，因而回来舱中往往还带有额定的发信设备协助收回人员找到的具体位置。

实践十号收回（来历：新华网）

来历：中国科学院国家空间科学中心