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新知丨航天器返回地面有哪些关键环节

来源:中科院之声

2019-09-13 09:28

随着几十年来航天技术的不断提高,航天器被送到太空执行完任务之后、还能返回一部分到地面已经是司空见惯。

最早出于技术、成本等方面的考虑,像是东方红一号这样的卫星送上天就不再回来了。返回式卫星的诞生大致始于军事侦察及国土普查用途,在航天科技的早期拍照技术远不如现在,需要利用返回的底片冲洗照片,这就需要卫星或者仅有“回收桶”带着底片返回地面。后来随着各项技术进步,特别是数码照相、数据传输等多个学科领域的发展,返回式卫星开始应用于需要回收实验品的空间试验室。特别是后来载人航天的发展,与1957年滞留在太空的狗“莱卡”(英文名:Laika,俄语:Лайка)不同,载人航天显然要求航天员能安全执行完任务回到我们的地球。我国的航天技术发展虽然起步稍晚,但早在1975年11月,我国发射并回收了第一颗返回式卫星FSW-1卫星,标志着我国成为继美苏之后、世界上第三个掌握返回式卫星技术的国家。

FSW-1卫星下落(来源: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返回地面十分困难,而且面临着很多与发射时不同的特殊状况,为了确保其成功就要在航天器可靠性、安全性、通讯等多方面、多环节提更高的要求、做更多的工作,所以成本就会大幅提高。所以相对航天发射这“万里长征”,航天器重新进入大气、返回地面的这“最后一步”,必须谨小慎微,一旦不慎就可能功亏一篑。非常著名的“哥伦比亚号”航天飞机失事,就发生在即将返回地面的最后一刻,7名航天员罹难,调查认为它的解体与隔热材料受损有关,高温从左机翼融化了内部结构,酿成了悲剧。

哥伦比亚号航天飞机的解体惨剧被认为与隔热材料受损有关,高温从左机翼融化了内部结构(来源:纽约时报,https://www.nytimes.com/2008/12/31/science/space/31NASA.html)

那么,航天器最后的返回,有哪些常见的需要注意的方面呢?

脱离轨道时的飞行姿态、速度调整

如果是卫星、航天飞机等航天器,其返回就要脱离正在飞行的轨道,这对姿态调整和航天器制动的技术都有额外要求。即使是探月之类的长距离飞行,返回地球也先进入地球轨道,然后抛弃服务舱、指令舱等不需要的部分,让登陆舱脱离轨道返回地面。

航天器脱离轨道时的速度叫做再入速度,其与地平线所形成的俯角称为再入角,这些是其返回地球的“初始条件”,为了保证安全、顺利,再入角的要求很严:再入角一般在3-7度,如果角度太大,航天器降低高度时大气密度变化很快,再入速度大,引起较大的空气阻力和摩擦加热,对航天器各种安全性能要求太高,但如果再入角太小也没法从几百公里高度降下来,降低高度的速度太慢。如果是载人航天,还要考虑人体所能耐受的制动的限度(10倍重力加速度),故而其再入角常常小于3度。

因此,航天器返回前需要先通过一系列的制动对其姿态、飞行方向作调整。航天器调整姿态找好推进的方向后,还需要保持姿态稳定,以确保制动推力方向的准确。通常这些调整、脱离轨道都是靠航天器携带的小型助推火箭来控制,火箭的点火时间、推力方向、推力大小与时间长短都会影响到再入速度和再入角的准确度,这就要求有灵敏而可靠的制动发动机。还有些设计方案是让航天器降低高度进入大气再抬高,利用大气减速的同时调整下一次下降进入大气的角度。

阿波罗飞船的再入角计算

(来源:https://www.aulis.com/images_re-entry/fig2.jpg)

进入大气后的发热应对

宇宙中晒了太阳是极热、不晒太阳是极寒,航天器往往面临极端温度以及受热不均的问题,本就在控温方面做了很多工作,例如传感器监测、隔热罩、热管、风冷回路、电加热控温等等。而在返回舱过程中遭遇的温度则是更加极端的。

航天器在大气中经历的绝不仅仅是摩擦发热。航天器本身飞行速度很大,而且下降过程中在地球引力作用下还会变得更快,航天器前面的空气快速、极度压缩,由于气体的压强、体积和温度等物理性质的关系,这种压缩可以让返回的航天器周围(主要是前端)的空气温度急速上升,其高温足以让固体发光、发热,我们熟悉的流星发生的就是这样的过程。

根据计算,航天器在数百公里高、密度接近真空的高层大气中,飞行速度为3倍声速时前端温度超过300摄氏度,而当飞行速度为6倍声速时约为1500摄氏度,而其从高空下降到达离地面60-70千米时往往还有20倍声速,对应的温度可以高达上万度,这必须采用措施来避免其烧毁。

首先延续刚才谈到的姿态控制的一点,大气的气流千变万化,会使高速返回的航天器难以保持固定的姿态,因此通常把返回舱做成不倒翁的形状,下降时的前端又大又圆、而后端较小,可以有效把气流集中在下降时的正面前端,我们在博物馆看返回舱实物的时候常会注意到这一点。而头部这样一种钝形的平面,能保证被压缩的空气产生的热量主要集中于这个钝形面,不容易影响到返回舱后面,就可以对这个钝形面的隔热多做文章,比如更结实的结构、更好的隔热层、更多的烧蚀材料涂层等。通过这些技术,我们可以让返回舱头部的温度控制在可以承受的范围(通常在1600开氏温度附近)。

通常,航天器会采用两种应对高温的措施:烧蚀材料技术和隔热瓦(绝缘材料)技术。

航天飞机表面的隔热瓦(来源:Space Shuttle Endeavour atCalifornia Science Center,wiki图片上传于https://www.flickr.com/photos/skinnylawyer/8143982281/)

烧蚀技术是给航天器外边的隔热层涂上烧蚀材料,这些材料通常气化热大、热容量大、绝热性好、向外界辐射热量的功能强,所以在温度升高时先发生气化、吸收大量热量,保证隔热层内的温度不会太高。我们在博物馆看到的很多返回舱外表是一层黄色,一般是烧蚀材料的颜色。

而隔热瓦技术,则应用了多样的绝热原理,常见的有多孔材料、热反射材料和真空材料等,它们一块一块贴在航天器上,中间留有缝隙,在航天器从宇宙中返回、加热的时候热胀冷缩,刚好把航天器保护起来而不会造成挤压、变形、脱落等问题。这些材料通常导热系数小,能耐得住高温,还要在高温下能贴的住航天器表面,例如特殊的二氧化硅瓦。

返回过程中的通讯

普通卫星在轨工作并不需要保持不间断的监测和联络,很多卫星都是转到头顶才追踪和联络,但返回式卫星在下降过程中必须更加频繁的对卫星进行精确测量和全程跟踪,并根据实测轨道参数对卫星的程序控制数据进行必要的控制和管理。这里除了先进的实时通讯技术,还需要格外注意一个特殊的自然现象:黑障区。

航天器要返回地面的话,必须利用大气阻力和火箭推力将速度和高度都逐渐降低下来。但出于燃料等多种因素,在下降的初期,由于航天器的重力势能与动能的交换,在高度降低的过程中其速度变化很小。

上一条我们说到返回舱前端压缩的空气达到了非常高的温度,实际上这样的温度还会使航天器附近的气体“电离”,也就是变成带电粒子,在航天器周围形成等离子体鞘,这种现象会对电磁波发生发射、折射、吸收等效应,使得无线电波的最大可使用频率上升几千兆赫(kMHz=GHz,如下图纵坐标),甚至更多,足以使航天器与地面控制之间的直接通信中断,持续时间约12至13分钟,雷达也无法发现目标航天器,这个区域就称为“黑障区”(blackout),如上图所示。返回的航天器的最大加热发生在这个时间段内,高度约为70公里。

温度(横坐标)越高,能使用的信号(signals)所需要的频率越高(来源:https://www.spaceacademy.net.au/spacelink/blackout.htm)

不过由于该区域空气密度急剧增大,航天器下降速度也在急剧下降。随着飞行器高度的下降,当速度降低到一定程度时(常在40-60公里高度),不再有足够的温度使气体分子电离,等离子体鞘就会解除,也即是黑障消失。黑障区的范围取决于返回航天器的外形、材料、再入速度、无线电的频率和功率等,如果无线电波频率选择的合适,也可以避免黑障现象。

落地速度的调整

如上条所述,虽然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)时速度仍然非常大,为了尽快把速度降下来,通常还有配以降落伞(减速伞)。降落伞一来要能经得住航天器巨大的速度和质量,以免损坏、脱离,二来也要控制好打开的时间,打开太晚了速度没减下来,但打开太早了空气稀薄起不到减速作用,还会提前磨损降落伞(摩擦、发热)。返回的航天器多采用两个甚至更多的降落伞,先用小降落伞适当减速,最后用大的主降落伞控制落地速度。

阿波罗11号返回舱打开降落伞的过程图解(来源:http://nassp.sourceforge.net/wiki/Earth_Landing_System)

回收

最后还有回收工作。如果是航天飞机则可以在跑道降落,但大部分的返回舱只是落在指定范围的区域,需要搜寻甚至海上打捞,因此返回舱中往往还带有额外的发信设备帮助回收人员找到的具体位置。

实践十号回收(来源:新华网)

来源:中国科学院国家空间科学中心

责任编辑:刘响
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