李大偉

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033）

0 引言

對于傳統(tǒng)意義上的空間運(yùn)輸，人們首先想到的是進(jìn)入太空。在這種思維定勢的影響下，不同的推進(jìn)系統(tǒng)的選擇成為主要話題，從而忽略了對于其他任務(wù)段的技術(shù)需求的重視，比如空間返回技術(shù)。

空間返回技術(shù)對于未來的太空探索具有重要意義。哥倫比亞號航天飛機(jī)的悲劇凸顯了具有魯棒性和高可靠性的返回系統(tǒng)的重要性。作為上一代主力空天運(yùn)輸載體的航天飛機(jī)退役之后，取而代之的是新一代載人空間探測飛行器（CEV），以及新一代的無人著陸器和樣本采集飛行器，以及采用了核推進(jìn)裝置并可以在發(fā)射失敗的情況下安全再入的外層空間探測器?？臻g返回所涉及的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)包括超高聲速再入系統(tǒng)，這其中包含了熱防護(hù)系統(tǒng)（TPS），導(dǎo)航制導(dǎo)控制系統(tǒng)（NG&C）；降落與著陸系統(tǒng)，其中包括降落傘、氣袋以及它們的控制系統(tǒng)。作為一個(gè)整體，我們將它們統(tǒng)稱為再入、降落及著陸系統(tǒng)（EDL）。

本文以下要對 EDL的主要組成部分（再入、超聲速/亞聲速降落以及著陸）和一些相關(guān)系統(tǒng)技術(shù)做簡要的回顧，分析各組成單元的主要技術(shù)要點(diǎn)以及目前的應(yīng)對方法。表1對這些問題做了總結(jié)；另一方面，當(dāng)今涌現(xiàn)出來的一些新技術(shù)在未來可能極大地影響 EDL設(shè)計(jì)，如先進(jìn)的電子信息技術(shù)，膨脹體/展開體系統(tǒng)，高升阻比運(yùn)載器和微小型再入飛行器等。表2對這些技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。

表1 空間返回技術(shù)的主要挑戰(zhàn)

表2 空間返回技術(shù)的主要機(jī)遇

1 超高聲速再入

1.1 熱防護(hù)系統(tǒng)

對于超高聲速再入而言，最重要的莫過于選擇合適的熱防護(hù)系統(tǒng)（TPS）保護(hù)飛行器不受高熱流的影響，再入過程中沖擊層的溫度可以達(dá)到或超過太陽表面的溫度?，F(xiàn)役的無人/載人飛行器的 TPS大部分都針對于低軌道再入，而對應(yīng)于月球返回、火星再入和火星返回等飛行任務(wù)的很少或者根本沒有。原因在于自從阿波羅時(shí)代對于TPS的研究主要針對從近地軌道（LEO）再入大氣的有翼飛行器。近些年NASA重新把重心放到了月球、火星及外層空間的探索上，研究的重點(diǎn)也轉(zhuǎn)移到可單次使用、偏向于探索類任務(wù)的載人式的飛行器上。值得注意的是自從阿波羅時(shí)代以后對于燒蝕性 TPS的研究已經(jīng)大大減少。

圖1 阿波羅號再入

最近有針對于在火星表面實(shí)現(xiàn)降落大噸位載荷（1800kg，兩倍于火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室）可行性的研究受到了廣泛關(guān)注。人們提出了5種不同的方案以及解決這些方案所需要的技術(shù)條件。其中新一代輕質(zhì)高熱流 TPS與亞聲速降落傘被認(rèn)為是最亟待解決的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。

現(xiàn)有的幾種材料技術(shù)可能滿足這些要求，比如由 NASA埃姆斯航天中心所研究的輕質(zhì)陶瓷燒蝕材料，已經(jīng)在火星探路者與火星探測流浪者（“機(jī)遇”號和“勇氣”號）得到了應(yīng)用。另一方面對于一系列中密度燒蝕材料的研究也在進(jìn)行中。但迄今為止以上所有的材料的性能都沒有達(dá)到 NASA對于新一代載人飛行器的要求。

1.2 大氣捕獲

大氣捕獲作為一項(xiàng)在高超聲速再入中很重要的技術(shù)，已經(jīng)受到了普遍的關(guān)注。簡單而言，大氣捕獲就是利用星體大氣改變飛行器的雙曲線軌道，使之成為一個(gè)穩(wěn)定的橢圓軌道。大氣捕獲與直接再入存在密不可分的關(guān)聯(lián)，后者是指處于雙曲線軌道的飛行器的再入、降落（也有可能著陸）。大氣捕獲與大氣制動是不同的概念，后者是多次利用大氣改變已有的穩(wěn)定橢圓軌道，比如使之成為圓軌道或降低軌道高度。直接再入第一次得到應(yīng)用是阿波羅號與它的前身-烈火 1&2號，近些年來在火星探路者與起源發(fā)現(xiàn)計(jì)劃中也有它的身影（盡管后者由于設(shè)計(jì)失誤導(dǎo)致降落傘沒有打開最終以300km/h的速度墜毀）。大氣制動最早在金星麥哲倫計(jì)劃中就得到了應(yīng)用，之后奧德賽計(jì)劃也采用了這項(xiàng)技術(shù)。大氣捕獲目前為止還存在巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

很多研究表明大氣捕獲對于太陽系內(nèi)的空間探索是有益的。其最主要的優(yōu)勢在于減少燃料質(zhì)量而相對增加有用載荷比。對于火星大氣捕獲和地球大氣捕獲，單位載荷的成本分別可以減少 12%和32%。大氣捕獲技術(shù)可以加以改造使其可以用來應(yīng)對阿波羅號由于天氣惡劣引起的發(fā)射事故（雖然從來沒有實(shí)現(xiàn)過）。這項(xiàng)作為發(fā)射失敗的應(yīng)急對策技術(shù)可以使阿波羅號在進(jìn)入再入過程以后重新飛離大氣層，在經(jīng)過半個(gè)軌道周期后進(jìn)入第二次再入過程，以捕捉到更好的返回時(shí)機(jī)。NASA曾經(jīng)資助過一個(gè)叫做大氣輔助飛行實(shí)驗(yàn)（AFE）的計(jì)劃，意圖驗(yàn)證包括大氣捕獲在內(nèi)的一系列針對于登月返回艙超聲速再入技術(shù)。不幸的是AFE由于計(jì)劃延遲和預(yù)算透支等問題被迫下馬。之后所有針對超高聲速再入的研究都在等待新的機(jī)會以嶄露頭角。其中最值得期待的莫過于即將到來的新千年ST-9計(jì)劃，其中大氣捕獲作為一個(gè)備選方案。

2 超聲速/亞聲速

對于解決超聲速與亞聲速階段的再入、降落與著陸（EDL）問題存在兩種不同的思路。對于像航天飛機(jī)這樣的可以產(chǎn)生足夠的升力的中升阻比飛行器而言，機(jī)體外形與質(zhì)心位置的設(shè)計(jì)是與采用控制舵面與反應(yīng)控制系統(tǒng)（RCS）來實(shí)現(xiàn)飛行控制的能量管理技術(shù)相耦合的。另一方面，對于艙體或其他低升阻比飛行器，它們只能產(chǎn)生比較小的升力，它們的機(jī)體外形與質(zhì)心位置的設(shè)計(jì)是與自旋穩(wěn)定裝置和減速傘相聯(lián)系的。以上思路已經(jīng)分別在載人航天飛行活動與無人航天飛行活動中得到了應(yīng)用，具體包括水星號、雙子號與阿波羅號的載人飛行以及維京號、探路者號和金星先驅(qū)者號等無人飛行器計(jì)劃。在伽利略號木星探測器的再入過程使用的減速傘也得到了成功。圖2顯示了采用新控制策略的X-38。X-38作為一個(gè)中升阻比的飛行器，在超聲速階段使用控制舵面與ACS，之后有順序地展開幾個(gè)降落傘，其中包括在亞音速降落階段里采用的可操縱翼傘。對于火星無人探測器，為了使之在降落之前的加速度在一定范圍內(nèi)，我們必須在探測器處于高速狀態(tài)時(shí)展開降落傘，而稀薄的火星大氣給這一任務(wù)帶來了難題。這個(gè)問題的解決方案如下：在速度為2馬赫左右時(shí)展開超聲速降落傘，然后當(dāng)速度降為1馬赫左右展開亞音速降落傘。最近有針對在火星降落大質(zhì)量貨艙的不同方案的研究。這些方案包括3馬赫超聲速降落傘、更大且更高效的亞聲速降落傘以及降落傘簇。

圖2 X -38降落

3 著陸

早在 20世紀(jì) 60年代首次研制載人航天系統(tǒng)時(shí)，美國就為水星號、雙子號和阿波羅計(jì)劃選擇了簡單且安全的水著落方式。這是一個(gè)卓有成效但又開支巨大的著陸方式。另外水波的振動也會使航天員感到不適，還存在著飛船沉沒帶來的危險(xiǎn)（這在水星號早期的飛行中曾經(jīng)發(fā)生過）。航天飛機(jī)采用的類似于普通飛機(jī)那樣的跑道式著陸方式極大地推動了陸地著陸的水平。相反前蘇聯(lián)的首次載人飛行的著陸方式則是陸地著陸，當(dāng)飛船離地1米時(shí)開啟制動火箭來保證平穩(wěn)著陸。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)經(jīng)受了80次飛行的考驗(yàn)，并且沿用至今。目前面臨著一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)：那就是為未來載人航天設(shè)計(jì)一種基于飛船或者其他低升阻比的飛行器的著陸方式，而不是繼續(xù)以往的航天飛機(jī)式的著陸方式。正如之前所述，X-38采用的降落傘系統(tǒng)值得借鑒；與此同時(shí)降落傘系統(tǒng)的可靠性也是需要解決的問題之一。

對于無人飛行任務(wù)而言，人們已經(jīng)開發(fā)并成功驗(yàn)證了一系列的著陸策略，其中包括末端制動火箭（維京號、火星探路者號等）、著陸火箭（維京號）、氣袋（探路者號）等。

4 其他相關(guān)技術(shù)

除了以上 EDL各階段所對應(yīng)的技術(shù)以外，還存在這一些擴(kuò)展到兩個(gè)或多個(gè)階段之間的技術(shù)，這里我們稱之為相關(guān)技術(shù)。第一是準(zhǔn)確著陸，這需要貫穿于整個(gè)再入過程的高精度導(dǎo)航制導(dǎo)控制技術(shù)（NG&C）和正確的控制策略。未來的鳳凰號與火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（MSL）是集成這一技術(shù)的典型代表。作為低升阻比飛行器，兩者都采用了維京號的超聲速減速傘和亞聲速減速傘（非指令）系統(tǒng)，在制導(dǎo)算法上都采用了阿波羅號的再入制導(dǎo)算法；著陸方式則選擇了制動火箭系統(tǒng)。在這種方法下，兩者都可以達(dá)到10km的著陸精度，這和火星探路者100km的著陸精度比起來是一個(gè)不小的進(jìn)步。對于未來的空間探索任務(wù)，特別是星際移民，一般都需要將居住艙體和生活物資先于人著陸到星體表面。這種情況下為了保證宇航員可以安全抵達(dá)艙體與物資的著陸地點(diǎn)，50-500m的著陸精度是必要的。高升阻比的飛行器的應(yīng)用可以解決高速狀態(tài)下的機(jī)動性問題；亞音速指令傘與動力控制可以解決低速狀態(tài)下的機(jī)動性問題。信息技術(shù)的發(fā)展可以改進(jìn)制導(dǎo)控制系統(tǒng)的精度并增強(qiáng)成像系統(tǒng)與災(zāi)難預(yù)警系統(tǒng)。

著陸點(diǎn)的選擇與災(zāi)難預(yù)警是未來航天的一項(xiàng)重要技術(shù)。對于無人飛行任務(wù)而言，目前對于著陸點(diǎn)的選擇主要依靠地面與在軌衛(wèi)星的同時(shí)監(jiān)測；對于載人飛行任務(wù)，阿波羅號是最好的例子：阿波羅號需要監(jiān)測系統(tǒng)與航天員手動控制來實(shí)現(xiàn)著陸點(diǎn)的選擇與災(zāi)難預(yù)警。對于未來到遙遠(yuǎn)天體的飛行任務(wù)而言，這無疑是重要的；同樣由于需要應(yīng)對各種發(fā)射以及著陸事故，這對于未來頻繁的載人發(fā)射及著陸也具有很重要的意義。

新一代融入了可靠性設(shè)計(jì)方法和高精度分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)飛行器具有遠(yuǎn)大的應(yīng)用前景。現(xiàn)存的再入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)只是在質(zhì)的層面上保證了再入的安全性，而在量的層面上還沒有達(dá)到要求。比如未來可能需要從火星采集具有生化傳染危險(xiǎn)的樣本返回地球，這時(shí)必須要求整個(gè)再入過程的失敗率低于某一個(gè)指標(biāo)，比如百萬分之一。除了高可靠性的設(shè)計(jì)方法以及高精度的分析以外，地面測試和飛行驗(yàn)證對于新一代飛行器的設(shè)計(jì)也具有重要意義。

5 結(jié)論

隨著人類航天活動日新月異的發(fā)展，空間返回技術(shù)將會在太空探索中扮演越來越重要的角色。在空間返回技術(shù)中，最核心技術(shù)莫過于再入、降落及著陸技術(shù)及其分系統(tǒng)技術(shù)，此外一些相關(guān)技術(shù)也具有重要意義。本文主要對以上技術(shù)的現(xiàn)有發(fā)展水平及其未來的發(fā)展方向做了詳細(xì)闡述。這些技術(shù)問題對于最終拓展人類的航天活動領(lǐng)域具有重要意義。

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