飛船返回地球時不能火箭減速嗎？為何要頂著燒毀風險穿過大氣層？

從太空受控返回地球，這是一個非常有意思的話題，對於大部分衛星來說並不會經歷這個過程，因為是單向的任務，只要將它送上天，壽命結束後就任其自生自滅了。但返回式衛星和載人宇宙飛船卻不行，要能上得去，也能下得來，因此在厚厚大氣層包裹的地球上，穿過危險的大氣層到達地面，就成了太空飛行器完成任務最後一道難關了，俗話說，上山容易下山難，我們今天來說說這難在哪裡。

重返大氣層會經歷幾個過程？

從在軌飛行的太空飛行器到成功著陸地面，一般會經歷如下幾個過程：

• 太空飛行器離軌階段

• 太空飛行器再入階段

• 太空飛行器著陸階段

這是返回式太空飛行器必須要經歷的幾個過程，我們首先來說說：

太空飛行器如何離軌

正常工作的衛星或者飛船它的軌道和星下點並不一定經過返回目的地，因此在返回前必須有一點要做的就是星下點經過著陸區，完成這個工作之後接下來將是減速離軌階段，利用太空飛行器主發動機反向推力減速（請注意是減速）或者變軌發動機制動，保證太空飛行器進入一條新的軌道，這條軌道是太空飛行器考慮氣動效應、穿越大氣層到達著陸場地的預定軌道，軌道的起點坐標與制動的精度將十分關鍵，所謂的失之毫釐謬以千裡將從此開始。

返回艙和軌道器分離，這是第一步

太空飛行器的再入階段

在離軌道到下一階段再入大氣層之前，軌道參數都將可以調整，但問題是得發現太空飛行器的軌道參數是否正確。如果沒有發現錯誤，那麼就接受大氣層的洗禮吧。一般再入階段有兩種方式：

• 彈道再入

• 升力再入

彈道方式再入時，大氣層對太空飛行器只有阻力卻沒有勝利，或者說儘管有升力，但卻無法控制軌跡的方式，都成為彈道載入，比如前蘇聯早期的「東方號」返回艙就是一個球體，美國「水星號」則是一個鐘形，兩者都是彈道再入的方式。這種方式穿越大氣層時間短，過載大，氣動加熱溫度高，返回過程無法控制，落點的精度取決於再入軌道的坐標與再入減速的控制，一旦進入彈道返回軌道，那麼一切將無法控制。

升力再入時太空飛行器會有優化的氣動與控制技術，在再入大氣層時將產生可控的升力，比如太空飛行器的軌道趨向於滑翔式軌道或者類似水漂跳躍式軌道，減緩下降過程中的過載，將氣動加熱的峰值分散到各個時間段，對太空飛行器的熱控峰值要求降低，但時間增加也是一個考驗。美國的阿波羅飛船返回時就是升力載入，包括我國的神舟五號（也是一個鐘形），但它的返回過程由GNC分系統進行再入過程中的升力控制，因此它是彈道-升力再入。

升力再入能夠取得比彈道再入更精確的落點，並且升力再入階段會由控制系統幹預修正，因此它的再入走廊寬度將大大增加，以便應對各種返回條件，比如第二宇宙速度進入大氣層的月球軌道返回，則必須採用升力再入，如果以彈道返回，那很可能成為一顆流星，那麼高速度連降落傘都沒有條件打開（我國2013年的小飛（嫦娥五號 T1飛行試驗器，綽號 舞娣）用的就是水漂彈道方式升力再入）

不過需要注意的是，各位看到神舟飛船都是大頭超前的大氣層內燒蝕階段，而初期的升力再入可不是這樣的方式，是小頭朝前產生足夠的升力，控制下降速度和角度。

在到達距離地面高度120千米高度時（此時速度約7.5千米/秒），將轉換為耐燒蝕大底朝前的大氣層內高超音速激波阻力下降階段。此時將會經歷一個黑障階段。

因為高溫被電離的大氣以及燒蝕材料的等離子體包裹太空飛行器，只有極高頻波段才能進行通訊。

溫度越高，能穿透的信號所需要的頻率也越高，如果通訊波段不在這個區間，那麼就出現了所謂的黑障，因此太空飛行器的黑障階段並不是不同通訊，而是我們常用的無線電波段無法進出等離子體包裹區域，黑障階段也是太空飛行器最危險的一個階段，因為高溫燒蝕材料能否扛過這個階段就看這幾分鐘了（根據再入方式的不同，一般在4-7分鐘之間）。

可能與很多朋友想像的不一樣，飛船燒蝕大底的材料不是對抗高溫，而是被燃燒分解，以便帶走大量的熱，從而保住飛船，所以這個材料是耐燒蝕，不是抗燒蝕。

2003年美國「哥倫比亞」號太空梭返回時在大氣層內解體

太空梭返回與宇宙飛船返回大致類似，但它是全氣動結構，因此它的過載更低（彈道返回過載8-9G，接近人體極限，彈道-升力返回過載3-4G，太空梭1.5G），更適合普通未經專業訓練人員乘坐，但它氣動結構複雜增加了風險係數，並且歷經一次發射爆炸事故，一次返回解體事故後當前已經全面退出航天任務。

著陸階段

因為存在大氣層，所以太空飛行器返回時可以使用大氣層阻力減速，前文的再入階段副產品就是減速，而最後速度逐漸降低，太空飛行器出了黑障階段，那麼就需要考慮減速和開主傘（10-20千米高度），為最後著陸做準備。

阿波羅11號返回艙打開降落傘的過程圖解

然後拋掉防熱大底，在距離地面約1米的高度開啟反推火箭，減速到3.5米/秒以下的速度軟著陸。

無大氣層返回時的過程

其實這不叫無大氣層返回，這個只能稱為降落，因為到現在為止返回只能在地球上實施，而降落可以擴展到月球和火星，火星有一層薄薄的大氣，與地球類似，但它的速度更高（氣動阻力作用不明顯），而月球可以認為無大氣層，只能全程動力減速下降，根據動能守恆定律，我們花多少能量將飛行器從靜止加速到這個速度，那麼就需要多少能量將它減速到著陸時的零速，唯一的差別時著陸時比發射時有更小的質量，因此回程減速燃料消耗會降低。

請注意這個發動機一直都是開啟的，一直到最後階段關機落月，由緩衝支撐吸收最後的動能。

為什麼有大氣層時不選擇動力下降，而採用大氣層減速的方式？

其實這很簡單，月球第一宇宙速度只有1.68千米/秒，從月球軌道往下降的時減速的分量也就這個1.68千米/秒，而且月球無大氣，只能採用動力減速下降。

而地球第一宇宙速度高達7.9千米/秒（離軌速度約7.5千米/秒），減速發動機需要消耗大量的燃料才能減速到0，不過地球有一個大氣層，儘管它會帶來超高溫，但也是一個減速的好工具，而且耐燒蝕大底的質量與攜帶的減速燃料相比，那是一筆飛船划算的帳，各種科普資料都告訴大家，每千克質量到近地軌道的成本約1萬美元以上，這至少也是數十噸的燃料可省不少錢，馬克思說過，只要有50%的利潤，就會有人不惜鋌而走險，而超過300%的利潤，可以踐踏人間一切法律，不過摘取到這個利潤可不需要殺人放火，而是燒蝕材料的研製，光明正大哦，搞定還有大把科研獎金哦！

神舟十一號飛船返回艙，請注意燒黑的外殼以及已經拋棄的絕熱大底。

所以，暫時是人類技術限制，因為火箭發動機還不足以支撐在地球大氣層內全程動力下降，也是成本的考慮，但未來技術提升以後，比如大氣層內的離子發動機搞定了，估計未來動力減速下降就會普及，畢竟這舒適度極高啊。當然未來的太空電梯實現了的話，就沒有這檔么蛾子事件啦。

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