航天器是如何返回到地球的，一文带你了解航天器返回技术

从二十世纪开始，人类就开始了对宇宙的不懈探索，从无人航天到载人航天再到登陆月球，技术在不断地进步发展，但不管载人航天器在太空停留多久，最终总要返回地球。所以人类的宇宙飞行，其实决定于航天器的返回技术。今天我们就来了解一下航天器返回技术。

航天器返回技术发展史

40年代末，随着战争的结束，已经科技的进步与发展，美苏开始了近30年的太空竞赛，美国、苏联曾利用缴获、仿制和改进的德国V-2导弹改装成地球物理探测火箭，把一些探测仪器和实验生物发射到100公里以上的高度后进行回收。随着导弹射程的增加，弹头的再入速度越来越大，气动加热问题日益严重。

因为我们要知道，物体与空气或其他气体作高速相对运动时所产生的摩擦力会转化为热力，产生气动加热现象的一个重要因素是速度，所以飞行速度越快,飞行器表面气动加热就越严重。

尤其是载人航天器的返回舱在距离地面70公里—40公里的高度以每秒数千米的速度穿越稠密大气层时，返回舱表面温度会达到1000－2000摄氏度，如果不采取有效的防热降温措施，整个返回舱将会像陨石一样被烧为灰烬。

1959年，美国使用降落伞完整地回收了洲际导弹的实验弹头，显示了烧蚀防热的有效性和应用气动减速原理的可能性。于是，美、苏两国开始积极研究卫星返回技术。

烧蚀防热是靠烧蚀材料受热分解和氧化燃烧带走热量的防热方法，烧蚀材料被包覆在需要防热的壳体表面，在受热分解和氧化燃烧过程中通过热解气体和燃烧产物的不断流失将热量从壳体表面带走，从而获得热防护效果。

在经过了多次的研究之后，美国的烧蚀防热技术开始非常成熟，烧蚀防热技术的最大优点是安全、可靠，适应流场变化的能力强。尤其是在高热流条件下，它是唯一可行的一种防热方法。它的缺点是仅能一次性使用。常用的烧蚀防热材料主要有高温熔化、低温碳化和直接升华三类。

目前除了烧蚀防热技术之外，还发展出来了辐射式防热和吸热式防热技术。针对不同的航天器使用

而除了要解决热防问题之外，还有就是如何保证生命在航天器内可以生活，那么它就必须要具备小型环境控制/生命保障系统。要建立并控制适合生命生存的人工环境；并保证在轨飞行微重力条件下生命的进食；实现对生物搭载舱及生命信息的实时监控，包括它们极端环境耐受程度、新陈代谢情况、饮食特点甚至是废物排出量。

最后就是要研究卫星和飞行环境的特点，做到对许用质量、电源品种及容量，装载时间甚至是发射和回收过程等条件成竹在胸。

在经过了10年的实验探索之后，1960年8月11日，美国首次在海上成功地回收了“发现者”13号弹射出的一个再入密封舱。1960年8月20日，两只小狗“别尔卡”和“斯特列尔卡”从太空返回地面，成为首次实现高等动物空间轨道飞行试验和回收任务的“英雄”。

△“别尔卡”和“斯特列尔卡”从太空返回地面

1961年4月12日，苏联哈萨克共和国的拜科努尔宇宙发射场上腾空而起的“东方”号宇宙飞船载着人类第一个冲出地球的宇航员——加加林飞上太空遨游，又安全降落在萨拉托夫州斯莫路夫斯卡村田野，这一成熟的返回技术为人类揭开了载人航天的新纪元。

△加加林

美国的阿波罗登月返回则预示着人类返回技术又达到了一个新的高度，如何离开月球表面。我们知道，月球的重力为地球的六分之一，这使得航天器在摆脱月球表面和离开月球轨道时相对于地球更加容易。科学家在“阿波罗11号”上，装有一台推力1.6吨的上升发动机，该发动机点火后只需4分钟左右的时间便可推动其进入月球轨道，随后“阿波罗11号”在抛弃登月舱后开启服务舱发动机获得更大的速度，使其脱离月球轨道奔向地球轨道。

△阿波罗号返回地球

航天器返回原理

航天器在轨道上的运动是在地心力场作用下，基本按天体力学规律运动，改变运行速度可使航天器脱离原来的运行轨道而转入另一条轨道，若速度的变化可转向进入地球大气层的轨道，则可能实现返回。航天器从外层空间返回地面须经历离轨、过渡、再入和着陆4个阶段。

离轨：利用火箭发动机的冲量来改变航天器的运行速度，使它转入一条能进入地球大气层的过渡轨道，是最有效的强制离轨方法。具有变轨能力的航天器（如“哥伦比亚”号航天飞机、“阿波罗”号飞船、“联盟”号飞船）直接由变轨发动机提供离轨冲量。无变轨能力的航天器（如“水星”号飞船、“双子星座”号飞船、“东方”号飞船、“发现者”号卫星）则须有专门的制动火箭。

△SpaceX BFR的地月转移轨道

过渡：从离开原运行轨道到进入大气层为止，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运动。返回起点不同，航天器沿过渡轨道返回的航程长短也相差悬殊。从月球返回的航程长达40万公里，历时60小时。根据需要，航天器在途中可再次启动变轨发动机修正轨道，以确保穿入再入走廊。

而环地轨道返回的过渡段较短，仅数百至数千公里，历时几分钟至几十分钟，航天器不再作轨道修正，由离轨条件保证其安全返回。

在过渡阶段结束之前，旋转稳定的返回舱需要消旋，以便返回舱利用气动力稳定在防热层迎流的状态；具有姿态控制能力的返回舱则须调整到防热端面朝前的姿态，为返回舱再入大气层作好准备。航天飞机则以尾部朝前上方的姿态，由变轨发动机制动脱离环地轨道，在过渡段再由姿态控制系统将自身调头,保持头部朝前,以30°俯仰角的姿态再入大气层。

再入：再入航天器以宇宙速度进入大气层将经受严酷的再入环境，但通过再入航天器气动外形的合理设计和再入轨道控制，可以使航天器在再入大气层过程中既达到减速目的，又保证制动过载和气动加热不超过允许的限度。

中国再入返回飞行试验器任务动画演示

按航天器气动特性和轨道特征，再入有弹道再入和升力再入两种方式。

① 弹道再入：再入体进入大气层(见返回轨道)运动时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，这称为弹道再入。

② 升力再入：再入航天器进入大气层运动时产生一定可控制的升力，称升力再入。再入航天器在升力作用下会沿滑翔式轨道或跳跃式轨道滑行。

缓冲着陆：再入航天器进入大气层后受到空气阻力 (D)的作用，其方向与速度方向相反，大小与大气密度 (ρ)、飞行速度(V)的平方以及表示再入体形状特征的阻力面积(CDA)成正比, 公式为：1/2ρV^ 2CDA。地球大气虽然稀薄（尤其是高层大气），但如果再入体有较大的阻力面积，气动阻力所产生的减速仍足以将其速度大大减小。至今再入航天器都是利用地球大气层这一天然条件，实现了气动减速。

而在下降到20公里以下的高度时达到稳定下降速度。如果不进一步采取减速措施，返回舱将以150～200米/秒的稳定下降速度冲向地面,这是不能允许的。为此，返回舱必须有回收系统，逐级展开气动力减速装置(如降落伞)，使返回舱进一步减速。

之后以一定速度垂直下降，利用缓冲装置安全着陆或溅落。

航天飞机具有相当大的机动滑翔能力，亚音速气动力特性能使它在预定场地的跑道上水平着陆。水平着陆是多次重复使用的航天飞机的先决条件。

航天器返回完整过程

航天器返回技术特点

返回技术是复杂的综合性技术，为使航天器安全返回和准时定点着陆，返回控制和制导、再入大气层的防热、回收和着陆是返回技术的关键。航天器的返回按技术特点则可以分为：弹道式返回、半弹道式返回和滑翔式返回三类。

第一种是采用弹道式返回的航天器，像炮弹一样，沿着一条很陡峭的路径返回，在穿越大气层时不产生升力，因而不能进行落点控制，所以落点偏差较大，并且过载比较大（可达8g～9g），接近人体所能承受的极限。落点散布也比较大。

航天器返回到地球表面的任务主要包括：实现将宇宙飞行速度减速到落地前的开伞速度；保证再入过程空气产生的力、热等效应满足任务需求；保证再入飞行安全并着陆到要求的落区范围 。

红线是弹道式再入，飞船将遭受更高的加速度，并可能对航天员造成危险

苏联和美国早期的返回式航天器都采用这种形式，如苏联的“东方”号、“上升”号飞船和美国的“水星”号飞船。

第二种是采用弹道－升力式返回的航天器，它一般都采用钟形结构，在穿越大气层时产生一定的升力，因而能够对其飞行轨迹进行一定控制，落点准确度比较高，过载也较小（不大于4g）。美国的“阿波罗”号系列飞船、俄罗斯的“联盟”号系列飞船和中国的“神舟”号系列飞船采用的都是这种返回着陆方式。阿波罗号飞船采用的弹道－升力式返回。

最后一种就是水平着陆，水平着陆返回的航天器也就是有翼返回航天器，最典型的就是美国的航天飞机。它的外形与飞机相似，可实现水平着陆。这种着陆方式过载最小（约1.5ｇ），是航天员感觉最舒服的着陆方式，而且航天飞机控制能力很强，落点精度很高，可以在指定的机场跑道上着陆，也可以重复使用。

科学家在这三类航天器技术又会进行专门的改进，以及优化，所以各类航天器的返回技术都会略有差别，但是总体属于这三类之中。

总结

航天器返回技术是人类探索宇宙的核心关键技术，这也是为什么这么多年以来，人类一直在不断改进航天器返回技术，让宇航员承载的负荷变得更小，让人类探索宇宙变得更为轻松便捷，从而为未来星际旅行创造条件。