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飞船返回地球时不能火箭减速吗?为何要顶着烧

来源:https://www.wzchild.com 作者:航天资讯 人气:75 发布时间:2019-10-22
摘要:从太空受控返回地球,这是一个非常有意思的话题,对于大部分卫星来说并不会经历这个过程,因为是单向的任务,只要将它送上天,寿命结束后就任其自生自灭了。但返回式卫星和载

  从太空受控返回地球,这是一个非常有意思的话题,对于大部分卫星来说并不会经历这个过程,因为是单向的任务,只要将它送上天,寿命结束后就任其自生自灭了。但返回式卫星和载人宇宙飞船却不行,要能上得去,也能下得来,因此在厚厚大气层包裹的地球上,穿过危险的大气层到达地面,就成了航天器完成任务最后一道难关了,俗话说,上山容易下山难,我们今天来说说这难在哪里。

  正常工作的卫星或者飞船它的轨道和星下点并不一定经过返回目的地,因此在返回前必须有一点要做的就是星下点经过着陆区,完成这个工作之后接下来将是减速离轨阶段,利用航天器主发动机反向推力减速(请注意是减速)或者变轨发动机制动,保证航天器进入一条新的轨道,这条轨道是航天器考虑气动效应、穿越大气层到达着陆场地的预定轨道,轨道的起点坐标与制动的精度将十分关键,所谓的失之毫厘谬以千里将从此开始。

  在离轨道到下一阶段再入大气层之前,轨道参数都将可以调整,但问题是得发现航天器的轨道参数是否正确。如果没有发现错误,那么就接受大气层的洗礼吧。一般再入阶段有两种方式:

  弹道方式再入时,大气层对航天器只有阻力却没有胜利,或者说尽管有升力,但却无法控制轨迹的方式,都成为弹道载入,比如前苏联早期的“东方号”返回舱就是一个球体,美国“水星号”则是一个钟形,两者都是弹道再入的方式。这种方式穿越大气层时间短,过载大,气动加热温度高,返回过程无法控制,落点的精度取决于再入轨道的坐标与再入减速的控制,一旦进入弹道返回轨道,那么一切将无法控制。

  升力再入时航天器会有优化的气动与控制技术,在再入大气层时将产生可控的升力,比如航天器的轨道趋向于滑翔式轨道或者类似水漂跳跃式轨道,减缓下降过程中的过载,将气动加热的峰值分散到各个时间段,对航天器的热控峰值要求降低,但时间增加也是一个考验。美国的阿波罗飞船返回时就是升力载入,包括我国的神舟五号(也是一个钟形),但它的返回过程由GNC分系统进行再入过程中的升力控制,因此它是弹道-升力再入。

  升力再入能够取得比弹道再入更精确的落点,并且升力再入阶段会由控制系统干预修正,因此它的再入走廊宽度将大大增加,以便应对各种返回条件,比如第二宇宙速度进入大气层的月球轨道返回,则必须采用升力再入,如果以弹道返回,那很可能成为一颗流星,那么高速度连降落伞都没有条件打开(我国2013年的小飞(嫦娥五号T1飞行试验器,绰号舞娣)用的就是水漂弹道方式升力再入)

  不过需要注意的是,各位看到神舟飞船都是大头超前的大气层内烧蚀阶段,而初期的升力再入可不是这样的方式,是小头朝前产生足够的升力,控制下降速度和角度。

  在到达距离地面高度120千米高度时(此时速度约7.5千米/秒),将转换为耐烧蚀大底朝前的大气层内高超音速激波阻力下降阶段。此时将会经历一个黑障阶段。

  因为高温被电离的大气以及烧蚀材料的等离子体包裹航天器,只有极高频波段才能进行通讯。

  温度越高,能穿透的信号所需要的频率也越高,如果通讯波段不在这个区间,那么就出现了所谓的黑障,因此航天器的黑障阶段并不是不同通讯,而是我们常用的无线电波段无法进出等离子体包裹区域,黑障阶段也是航天器最危险的一个阶段,因为高温烧蚀材料能否扛过这个阶段就看这几分钟了(根据再入方式的不同,一般在4-7分钟之间)。

  可能与很多朋友想象的不一样,飞船烧蚀大底的材料不是对抗高温,而是被燃烧分解,以便带走大量的热,从而保住飞船,所以这个材料是耐烧蚀,不是抗烧蚀。

  航天飞机返回与宇宙飞船返回大致类似,但它是全气动结构,因此它的过载更低(弹道返回过载8-9G,接近人体极限,弹道-升力返回过载3-4G,航天飞机1.5G),更适合普通未经专业训练人员乘坐,但它气动结构复杂增加了风险系数,并且历经一次发射爆炸事故,一次返回解体事故后当前已经全面退出航天任务。

  因为存在大气层,所以航天器返回时可以使用大气层阻力减速,前文的再入阶段副产品就是减速,而最后速度逐渐降低,航天器出了黑障阶段,那么就需要考虑减速和开主伞(10-20千米高度),为最后着陆做准备。

  然后抛掉防热大底,在距离地面约1米的高度开启反推火箭,减速到3.5米/秒以下的速度软着陆。

  其实这不叫无大气层返回,这个只能称为降落,因为到现在为止返回只能在地球上实施,而降落可以扩展到月球和火星,火星有一层薄薄的大气,与地球类似,但它的速度更高(气动阻力作用不明显),而月球可以认为无大气层,只能全程动力减速下降,根据动能守恒定律,我们花多少能量将飞行器从静止加速到这个速度,那么就需要多少能量将它减速到着陆时的零速,唯一的差别时着陆时比发射时有更小的质量,因此回程减速燃料消耗会降低。

  请注意这个发动机一直都是开启的,一直到最后阶段关机落月,由缓冲支撑吸收最后的动能。

  其实这很简单,月球第一宇宙速度只有1.68千米/秒,从月球轨道往下降的时减速的分量也就这个1.68千米/秒,而且月球无大气,只能采用动力减速下降。

  而地球第一宇宙速度高达7.9千米/秒(离轨速度约7.5千米/秒),减速发动机需要消耗大量的燃料才能减速到0,不过地球有一个大气层,尽管它会带来超高温,但也是一个减速的好工具,而且耐烧蚀大底的质量与携带的减速燃料相比,那是一笔飞船划算的帐,各种科普资料都告诉大家,每千克质量到近地轨道的成本约1万美元以上,这至少也是数十吨的燃料可省不少钱,马克思说过,只要有50%的利润,就会有人不惜铤而走险,而超过300%的利润,可以践踏人间一切法律,不过摘取到这个利润可不需要杀人放火,而是烧蚀材料的研制,光明正大哦,搞定还有大把科研奖金哦!

  所以,暂时是人类技术限制,因为火箭发动机还不足以支撑在地球大气层内全程动力下降,也是成本的考虑,但未来技术提升以后,比如大气层内的离子发动机搞定了,估计未来动力减速下降就会普及,毕竟这舒适度极高啊。当然未来的太空电梯实现了的话,就没有这档幺蛾子事件啦。

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