空间飞行器设计-第11讲

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11.2 返回过程
返回过程是一减速过程，从轨道上的高速减 速到接地时的安全着陆速度。 理论上，实现返回有两种方法：利用制动火 箭 和 利用空气阻力。 单纯利用火箭动力，会增加运载火箭的有效 载荷，增加起飞质量；不经济，不现实。 利用稠密大气（几十km）对航天器的空气阻 力，使航天器减速；经济，可行。需一能量不大 的制动火箭。
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升力体性能介于弹道式再入航天器和有翼航天器 之间，吸收了两者的长处。 气动载荷较低，制动过载不大(2g)，结构重量中等， 要在大气内机动飞行数百公里，可水平着陆，可多次 重复使用。 如美国X-33（“冒险星” 1/2缩聚的原型机）单级 入轨火箭验证机。由洛克希德.马丁公司著名的“臭 鼬工程队”于1996年开始研制，长 20.29 米，高 5.88 米，翼展 22.06 米。因存在诸多难以突破的技术难关 （如线性气塞式发动机），NASA 于2001年3月取消 了已经耗资了 13 亿美元的 X-33 项目。
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11.3.1 弹道式再入航天器(L/D=0~0.5) 1. 纯弹道式再入航天器 缺点：再入过程的运动无法控制。制动火箭工 作结束后，落点便已决定。落点偏差大（可达 上百公里）； 加热时间短，迎风面热流大，常采用烧蚀 式防热结构； 再入过载大(8~10g)，只能垂直着陆。可 采取伞状阻尼板。
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第11讲 航天器 再入 与返回
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航天器再入与返回
航天器分进入式（返回型）和非进入式（非 返回型）两大类。 航天器从大气层外的飞行轨道进入地球的稠 密大气层，称“进入”或“再入”。 航天器脱离空间轨道进入大气层并在地面安 全着陆的过程，称航天器的返回。 航天器设计中有意识地将返回物品和设备集 中安装在“再入舱”内，其余的物品配臵在“设 备舱”、“轨道舱”等内。
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一次再入式轨道是航天器再入大气层后，在 飞行过程中轨道呈单调下降，不再跃出大气层。 从近地轨道返回地面均采用这种轨道。 跳跃式轨道又称起伏式或回弹式再入轨道。 航天器在进入大气层一段时间后，调整升 力使航天器上行飞出大气层；然后再二次进入。 可多次进出大气层，以增加航程、增加调整落 点的范围，同时减少再入制动过载。 美国Apollo飞船和前苏联“探测器-6”采用。
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起伏式或回弹式轨道，可用于控D>0.5) 可分为升力体（0.5<L/D<1.3)和有翼航天 器 (L/D>1.3)两种。 1.有翼航天器
具有升力面，升阻比大于1.3，可滑翔数千 公里、水平着陆。可以多次重复使用，最大制 动过载1g。外形兼顾从高超音速到亚音速各个 阶段，几何外形和结构复杂。气动加热热流低， 但时间长、总加热量大。防热结构沉重。
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航天飞机 （Space Shuttle） 属于有翼航天器。 1981年4月， 美Columbia 号首 次载人升空并成 功返回；1988年 11月，苏“暴风 雪”号首次不载 人轨道飞行成功。
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2. 升力体
又称升力艇。没有机翼。利用机身的气动 力外形产生一定的升力。 升阻比在0.5－1.3之 间。
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2. 半弹道式再入航天器（L/D<0.5)
图· 13－3 “双子星座”飞船再入舱重心偏心 e=76.2mm。相应的配平攻角＝14o ，L/D=0.19。
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美国首次在“双子星座”3号飞船上采用了 半弹道式再入技术，再入舱重心偏差76.2mm， 相应的配平攻角140，飞船可在纵向550km、横 向100km范围内调整飞船落点，再入过载为4－ 5g，而纯弹道式再入情况下为6g。 前苏联从“联盟3”号飞船开始采用半弹道 再入技术, 此后的“联盟T”、“联盟TM”等。 按再入轨道可分为一次再入和跳跃式再入 两种。
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返回的四个阶段： (1) 离轨段（制动飞行段） 制动火箭作用，脱离原运行轨道，转入一 条能进入大气层的过渡轨道。
(2) 大气层外自由下降段 制动火箭熄火，航天器在重力作用下沿过 渡轨道自由下降。在100km左右进入稠密大气 层(AB段)。
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(3) 再入大气层（大气层内飞行段） （B点以下）
(4) 着陆段（回收段） 当航天器下降到15km以下的高度，进一步 减速，保证其安全着陆。
2. 半弹道式再入航天器（L/D<0.5) 在纯弹道式基础上，增加有限的、可控的 升力，以控制再入轨道的航天器叫半弹道式 （升力—弹道式）再入航天器。 原理：将航天器重心配臵在离中心轴一段 很小的距离处，加以“配平攻角”，产生部分 升力。将航天器绕其纵轴旋转一角度，升力得 以分解为一个向上的力和一侧向力。后者用以 控制航天器的落点。 目前，这种再入可控制落点偏差范围在2 km以内。
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11.1 返回技术
返回技术是一项重要技术，目前只有少数 国家掌握。
•20世纪40年代末，美、苏实现地球物理火箭和高空生 物火箭箭头的回收。 •50年代末，美国发展照相侦察卫星，经12次连续失败， 于1960.8首次从海上回收“发现者13”回收舱。 •60年代，掌握航天器从绕地轨道和从月球轨道弹道式 返回地面技术。 •70年代，在金星和火星软着陆。“大鸟”侦察卫星的 胶卷舱分期返回。我国返回式卫星。 •80年代，航天飞机，实现了升力式返回技术。
航天器从其他星球航行归来，进入地球大 气层（VII），同样要经历再入段和着陆段。
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航天器返回过程
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11.3 返回型航天器的分类
再入航天器以很高的速度进入大气层，承 受严重的气动加热和制动过载。因此，航天器 的气动外形、结构、返回轨道、返回控制等都 是按再入段工作条件设计的。 航天器在大气层内运动，除受重力外还受 空气动力作用。空气动力可分解为阻力D和升 力L。按高超声速时的升阻比大小，再入航天器 可分为弹道式和升力式（滑翔式）两大类。
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11.3 返回型航天器的分类（contd.）
再入航天器的分类
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11.3.1 弹道式再入航天器(L/D=0~0.5) 1. 纯弹道式再入航天器 无升力或只有无法控制的有限升力；外形一 般是钝头的轴对称旋转体；在大气里经历的时 间很短（不超过400s），总加热量相对小些， 防热结构简单。 美、苏早期的返回式航天器均属此类。