返回式

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火星探测漫游者(MER)的整流罩在进入火星大气时情形的艺术想象图

返回式,指的是在离开行星大气层进入宇宙空间后能安全返回到行星表面的一类航天器,通常用来运输设备和人员。航天飞机神舟飞船的返回舱和隼鸟号的样品舱便属于该类。它们备有特殊的设计来避免在返回过程中因高速、摩擦、高温和振动等问题危及载荷的安全。

原理[编辑]

人造或者自然物体从宇宙空间进入天体大气层的过程被称作进入大气层(Atmospheric entry),在地球的场合指的是从宇宙空间一侧越过海拔为100km的卡门线的过程。从地面发射后离开大气层的人造航天载具重新进入大气层的过程被称作返回大气层(Atmospheric reentry)或再进入(reentry)。返回大气层根据其目的和过程被分为以下类型:

目的(原因) 过程是否可控 是否破坏性
航天器安全降落到行星表面
洲际弹道导弹弹道飞行后半程
人为消灭航天器或太空垃圾 否,或任由其轨道自然衰减
太空碰撞等意外而导致的返回

返回式航天器的设计以安全可控地回到地面为目的。由于在目前的技术条件下返回大气层时航天器的速度极高,因此非破坏性返回的过程一般需要有特殊的措施来保护航天器避免受到气动力加热和震动、冲击等损害。由于载人航天一定有航天员返回地面的过程,因此这一过程也成为载人航天中风险较高的环节之一。

歷史[编辑]

這種雙層隔熱板概念在1920年由羅伯特·戈達德提出,他說:"流星進入大氣層的速度高達每秒30英里,但內部依然寒冷。因此,假如再返回物的表面覆蓋一層抗高溫(不易變質及難熔解)的物質後再用一層不太會導熱的耐高溫物質,這樣物體表面就不會受到太多的侵蝕"(節錄)

而第一次實際應用到此系統是在洲际彈道導彈的再入速度增加所導致的摩擦熱。早期的彈道導彈,如V2火箭,並沒有此問題。而中程彈道導彈,如蘇聯的R-5(有1200km)的射程,就需要陶瓷複合材料來保護。首個洲際彈道導彈(ICBM,射程達8000至12000km),則已正式進入了現代保護材料的時代。在美國,這技術是由H. Julian Allen再Ames Research率先開發。而蘇聯的Yuri A. Dunaev也曾在列寧格勒物理技術研究所開發類似的技術。

飛行器的形狀[编辑]

鈍形飛行器[编辑]

在美國的H. Julian Allen一夥人在1951年發現了鈍形(high drag)隔熱板。而從原理中顯示,鈍形隔熱板效率最佳,因為返回式航天器的摩擦熱與阻力係數成反比,即阻力愈大,熱負荷愈低。艾倫和埃格斯的發現,最初被視為軍事秘密,但於1958年出版。鈍形理論的設計成為可行的隔熱板,都體現在水星、雙子星和阿波羅太空艙,使宇航員返回火熱的地球大氣層時仍生存。蘇聯的R-7洲際彈道導彈於1957年使用尖鼻的彈頭成功首次試射,但擊中目標區10公里以外,因而改為鈍鼻的彈頭。蘇聯的隔熱層由多層玻璃纖維與石棉textolite組成。