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嫦娥回家——谈谈航天器的返回

发布时间:2014-02-08  原作者:晨枫   点击数:

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  在自由下落过程中,气动加热使航天器表面急剧升温。从减低气动阻力以减少气动加热的角度看,再入的航天器应该采用尖锐的头部。但理论计算和实验证明,再入过程中极高的速度使气动加热的升温速度太快,尖锐头部对减小气动加热的作用微乎其微,头锥受到在时间和空间上高度集中的热负荷,根本没有时间散热,将很快被烧毁。耐热材料或隔热、散热、导热技术只能略微推迟被烧毁的时机,但不能从根本上改变被烧毁的结局。1951年,美国NACA(NASA的前身)物理学家亨利艾伦在研究中发现,高速的航天器前端对空气产生强烈压缩,在前方大气中形成一个伞状的激波锥,激波前沿的空气密度急剧升高,实际上像一堵坚硬但移动的墙一样,航天器则在墙后的尾流中前行。由于和前方静态空气直接接触的是激波锥而不是航天器本身,气动加热主要由激波前沿和前方的静态空气之间的压缩和摩擦产生,热量也主要沿密度极高的激波锋面内部传导和耗散。如果航天器表面和激波锋面保持一定的距离,激波锋面和航天器表面之间的边界层实际上形成保护层,航天器本身承受的热负荷就要小很多。因此,亨利艾伦提出,航天器的头部应该是钝形,在艏部推出一个宽大和强烈的激波,并使波锋面远离航天器本体,就像平头的驳船船首推开的波浪一样,形成有效的热保护。实际数据表明,航天飞机再入段初期,圆钝的头锥前方几米外激波前沿的温度可达摄氏5300度,但航天飞机表面“仅仅”感受到1260度左右,说明了激波隔热的有效性。但这只解决了问题的一半。剩余的气动加热问题依然严重,需要用烧蚀型散热材料用时间换温升。

航天器返回时的气动升温是一个严峻的技术挑战

航天器返回时的气动升温是一个严峻的技术挑战

  但航天飞机实际是另一个思路:用大气层内的滑翔降落解决软着陆问题,但气动加热的问题更加棘手。急剧降低高度和减速将导致严重的瞬时气动加热,但速度和高度降不下来导致长时间滑翔则延长气动加热时间,引起累积蓄热问题。航天飞机再入后,不断横向滚转至90度,用主动丧失升力来降低高度,用增加迎角来降低速度。但横滚有自然的转弯倾向,所以航天飞机要时不时反向横滚一下,用S形航迹来保持基准航向。

航天飞机的滑翔返回是比宇宙飞船的弹道式返回更大的技术挑战

航天飞机的滑翔返回是比宇宙飞船的弹道式返回更大的技术挑战

  但航天飞机的设计极富挑战。航天飞机的水平着陆是无动力的滑翔着陆。换句话说,航天飞机一旦脱离地球轨道、进入大气层,就是一锤子买卖,不可能复飞的,必须在指定地点降落下来。这要求航天飞机具有良好的升阻比,可以滑翔一定的距离,在滑翔中具有良好的操控,尤其要有良好的着陆操控性能。换句话说,应该采用具有较高升阻比的细长机翼。但是,航天飞机在返回大气层之初,速度可以高达24马赫,这样的高超音速要求采用阻力最小的升力体,也就是说,由扁平短拙、大后掠角的机体本身产生必要的升力,根本不用常规意义下的机翼。但折中都是有代价的,航天飞机的操纵特性据说和一块飞行的砖头差不多,而且返回时必须沿一条精细计算过的在瞬时气动加热和累计气动加热之间最小化的路径下滑,以最大限度地降低热负荷,使用要求非常高。

滑翔式的再入轨道是一个很小的窗口,既要避免“过度滑翔”早晨的累积气动加热过度,又要避免“过度减速”造成的瞬时增温失控

滑翔式的再入轨道是一个很小的窗口,既要避免“过度滑翔”早晨的累积气动加热过度,又要避免“过度减速”造成的瞬时增温失控

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