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航天器如何再入大氣層?

時間:2018年01月17日 信息來源:中國載人航天官方微信 點擊:10102 字體:

流星雨總是給人美好又浪漫的遐想。當明亮的火流星劃過天際時,即使在城市中的人也有可能看到。然而,人類也有可能制造另一類“火流星”——航天器再入。無論是受控返回地球的返回式衛星、飛船和航天飛機,還是超過壽命或因爲故障不受控制再入地球的航天器,在穿越地球濃密的大氣層時都會因爲劇烈的摩擦達到很高的溫度,發出明亮的光芒,看起來就像是“火流星”一樣。

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一、受控航天器再入

對于受控再入的航天器而言,一般分爲彈道式再入、半彈道式再入和升力式再入。

采用彈道式再入的航天器多爲軸對稱的外形且重心在它的對稱軸上,在重返大氣層的過程中,航天器只受到氣動阻力和重力的作用,降落過程中基本上不産生垂直于飛行方向的升力。這種再入方式的特點是再入過程比較快,但飛行器上承受因減速帶來的超重較大,大多數的彈道導彈、我國的返回式衛星和前蘇聯的東方號飛船都采用這種方式再入大氣層。

半彈道式再入的航天器即便采用軸對稱的外形,其重心也與其對稱軸有一定距離,因此在其穿越大氣層的過程中,飛行方向與對稱軸之間有一定的夾角,從而産生一定的升力,可以有效減小再入過程中的超重,降低熱流密度,並可利用升力在一定範圍內控制落點,提高著陸精度。例如我國的神舟飛船、俄羅斯的聯盟號飛船和美國的阿波羅飛船等都采用這種方式再入。從離開原軌道直至返回地面,整個航程雖達到上萬公裏,但有效減小了宇航員承受的過載,使得宇航員感覺更輕松。此種再入方式穿越大氣層的飛行時間較長,大氣摩擦加熱産生的總熱量很高,因此需要更爲可靠的航天器防熱系統。

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神舟十一號返回艙著陸

像航天飛機這樣的帶翼航天器可以進行升力式再入。由于機翼可以産生較大升力,所以這種方式再入過程中航天器的機動能力是最強的,可以在很大範圍內選擇落點,宇航員所承受的過載也最小,感覺“最舒服”。但這種再入方式的技術難度也最大,對于飛行器防熱系統的要求也最高。

二、無控航天器再入

對于那些已經超過服役壽命,或者因爲發生故障失去控制的航天器,以及發射火箭過程中用完的各個子級來說,如果它們的彈道或軌道的近地點足夠低,最終的命運也是再入大氣層。而是否會落到地面或海上則要根據它的軌迹、尺寸和組成綜合判斷。

對于已經進入軌道的火箭末子級和失去控制的衛星來說,影響其再入大氣層的因素主要有兩點:航天器軌道的近地點高度以及面質比。如果航天器的近地點足夠高,由于大氣層的密度隨高度變化非常快,超過500公裏的衛星很難在短期內再入大氣層;另一個影響航天器從正常軌道到再入的重要參數是面質比,指航天器迎風的面積與它的質量之比,這個數值越大,大氣阻力産生的作用也越大,航天器也越容易掉下來。失控衛星再入的時間是非常難以預報的,這是由于人類對高層大氣密度的預報本身就不是很准,而高層大氣密度受各種因素影響,特別是受太陽活動的影響非常大,有時甚至可以相差上百倍。

對于無控航天器而言,即便知道它的准確重量,由于航天器的姿態不受控,其迎風面積大小也難于確定,所以,當航天器的高度很低時,大氣阻力的影響是最難估計的。目前,各國均不具備准確預測的能力,一般在最後2小時才能確定空間物體的再入時間,並將再入區域確定在長度爲12000千米的範圍內。軌道預報的時間越長,其准確性越差,對于失控航天器而言,一般只有再入大氣層前的最後幾圈才能有相對准確的預報。美國曆史上的天空實驗室1號,就是因爲對大氣密度的變化過于樂觀,導致其預報的在軌時間遠低于實際在軌時間。

航天器再入過程中會受到很大的氣動力和氣動加熱,但如果航天器的部件可以耐受再入加熱,或者某些部件有防熱措施,則部分部件有可能隕落到地面。例如前蘇聯的宇宙系列核動力衛星曾失控落在加拿大,造成了一定的核汙染;而哥倫比亞號航天飛機在再入過程中失事,一些耐高溫的部件也完整地掉到了地面。

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前蘇聯核動力衛星宇宙954號隕落加拿大西北部

無控航天器的隕落區域是不可控的,其隕落時間和區域範圍也難以准確預報,因此除美國的龍飛船可以回收外,世界上其它的貨運飛船都采用先受控離軌、再無控隕落的方式結束其使命。我國的天舟貨運飛船、俄羅斯的進步號飛船、歐空局的ATV、日本的HTV和美國的天鵝座等都采用這種方式,此種情況下航天器落點控制精度不高,通常選擇南太平洋的廣大海域作爲落點,這裏在數千公裏範圍內沒有任何島嶼,即使落點精度不太准確也不會造成破壞。比如前蘇聯/俄羅斯的和平號空間站先通過進步號貨運飛船的發動機制動離軌後再入大氣層,由于和平號空間站重量超過一百噸,有大量碎片無法燒蝕,散落在南太平洋海域。

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天舟一號示意圖

對于尺寸較大而又不受控的航天器,可以肯定它在再入過程中會解體,且有部分碎片會落下來。但由于地球表面70%的面積都是海洋,而人口稠密區域在陸地上占的比例不大,從而造成地面人員和財物損失的可能性也不大。每年由外空再入地球大氣層的質量約有40000噸,只有不足0.5%是人類産生的空間物體。據NASA統計,僅2014年就有超過600個失效衛星、廢棄火箭末級和其他碎片再入地球大氣,總質量超過100噸,沒有收到人員傷害或財産損失的報告。所以雖應密切關注,但也不必杞人憂天。




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