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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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  嫦娥四号和五号则是采用弹道式再入和大气层内滑翔式再入之间的全新方式。这是在大气层边缘向打水漂一样用弹跳的方式滑翔再入。换句话说,在接近大气层的时候,用较小的角度进入,在大气层外缘“下沉”过程中,利用大气层和近地空间的空气密度差,产生强大的气动升力,把航天器弹跳出大气层。地球引力将使航天器再次回落,产生又一次弹跳。在此过程中,速度逐渐降低,直到不再有足够动能形成新的弹跳,而自由下落,返回地球。

返回轨道:a)弹道式,b)滑翔式(航天飞机),c)滑跃式(嫦娥五号)

返回轨道:a)弹道式,b)滑翔式(航天飞机),c)滑跃式(嫦娥五号)

 

在大气层边缘的滑跃式再入是另一个思路

在大气层边缘的滑跃式再入是另一个思路

这和前一张图是一个意思,但容易看出,第一次再入时的角度和速度决定了弹出时的角度和速度,而这决定了第二次大气层外弹道式飞行的距离和第二次再入的角度、速度

这和前一张图是一个意思,但容易看出,第一次再入时的角度和速度决定了弹出时的角度和速度,而这决定了第二次大气层外弹道式飞行的距离和第二次再入的角度、速度

  这样做的好处是,每一次擦过大气层边缘的时候,气动加热的时间较短,返回寒冷的近地空间期间正好散热,这样可以大大降低返回期间气动加热积累的问题。在动能不足以继续弹跳时,可以近似为航天器从大气层边缘开始自由下落,这样的初始位能也较直接从外太空返回为低,同样有助于降低返回段热负荷问题。

  应该注意的是,航天器在大气层边缘弹跳飞行时,升力的来源将不是常规的机翼,而是激波。返回时的高速足以产生一个强大的激波锥,这相当于一圈坚硬如铁的盾牌。有意思的是,这道盾牌在压缩前方空气时,不仅吸收气动加热,还产生压缩升力,好比滑水板在水面高速划过时产生的动浮力一样。控制航天器的姿态可以有效地改变激波的形状和迎角,进而改变升力的大小,控制反弹的力度;甚至可以产生侧向的升力,改变航向。随着动能在每一次弹跳中的消耗,航天器的迎角应该有所增加,以补偿升力的损失。最后速度降低到不足以维持强大激波锥的时候,也是该返回地球的时候了。

当然,要是速度足够,或者在弹出时有额外动力助推,还可以实现多次滑跃

当然,要是速度足够,或者在弹出时有额外动力助推,还可以实现多次滑跃

  但这样的大气层边缘的滑跳飞行的意义远远大于航天器返回。

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