航天器进入与返回技术(下)

烧蚀式防热结构
烧蚀过程中，各层内发生的物理化学
变化现象及热效应如下：
1、原始材料层 温度低于������������1，材料无热解，无化学及 物理状态变化； 材料内部两个传热效应，即材料本身
的热容吸热和向材料内部的导热。
烧蚀式防热结构
2、热解层 内边界温度为������������1 ，外边界温度为������������2， 层内的主要现象是材料的热解； 层内进行着3种热现象：
飞船返回时与大气层的剧烈摩擦会产 生几千度的高温,因此必须有先进的防 热措施,否则钢筋铁骨也要化成灰烬.返
回舱在再入大气层时,要使其用特制防
热材料做的舱底保持向前,从而保证它 在与空气剧烈摩擦所产生的高温高压 下,舱内温度正常.
航天器进入与返回的着陆与回收技术
航天器进入与返回的着陆与回收技术：包括着陆减 速和标位信号两部分。
航空活动的目的
人类的航天活动, 总的说来可以分为两大类。第一类是探索和 了解外层空间的活动; 另一类是开发和利用空间资源的活动
玉兔号
神州七号飞船
航天器进入与返回的问题
航天器进入与返回时要解决的主要问题？ 1、返回舱进入大气层时温度过高
2、着陆时的速度过快
3、载人航天的救生问题
航天器进入与返回的防热结构设计
1、甚高频无线电信标机和地面机载定向罗盘相配合； 2、雷达应答器和底面雷达相配合；
3 、中波信标机和底面携带式定向仪配合；
4、海水染色剂； 5、闪光标位器；
6、发烟罐和发烟筒
4
载人航天救生技术
载人航天
载人航天是人类驾驶和乘坐载人航天器在太空中从 事各种探测、研究、试验、生产和军事应用的往返 飞行活动。其目的在于突破地球大气的屏障和克服
降落伞系统一般由引导伞、减速 伞、主伞和伞包等组成。
着陆缓冲装置
着陆缓冲装置
可 压 缩 能 量 吸 收 器
缓 冲 气 囊
机 械 式 缓 冲 装 置
着 陆 火 箭
着陆缓冲装置
着陆缓冲装置
缓冲气囊在地面折叠成较小体积，安装
在返回舱底部防热罩内。在返回舱主伞 下降过程中，释放缓冲气囊，让空气充 满，着陆时气囊收到压缩，气囊内空气 从排气孔或排气阀门排出，从而吸收返 回舱着陆冲击能量，达到缓冲目的。
2
防热结构设计
航天器的返回过程
返回
返回舱与轨道舱进行调姿
轨道舱与返回舱分离
推进舱与返回舱分离
制动点火
返回舱进行第二次调姿
进入稠密大气层
发出无线电信号
拉出减速伞和主伞
着陆
防热结构设计的种类
防热结构设计
吸 热 式 防 热 结 构 设 计
烧 蚀 防 热 结 构 设 计
辐 射 式 防 热 结 构 设 计
辐射式防热结构 辐射式防热应用实例 双子座号飞船 美国双子座号飞船座舱壁是一次性使用辐射防热结构的典型 代表。 防热蒙皮采用Rene41镍基高温合金（工作温度约900℃）； 内部承力的舱体为钛合金桁条加筋结构；
外层间采用Thermoflex纤维隔热材料；
桁条与蒙皮间用颗粒和纤维混合型的超级隔热材料； 在螺钉连接的蒙皮搭接处，留有伸缩间隙，以便外蒙皮在加 热后可以自由伸缩。
航天器着陆
航天器回收
载人航天救生技术
所谓载人航天器救生系统，救是在载人航天器的安 全得不到保证的应急情况下，为拯救航天员生命而 设计的一系列的救生设备和救生方案。因此，应满 足飞行各阶段（发射、上升、轨道飞行、下降和着 陆）的安全救生要求。
航天器进入与返回的发展
双子座号飞船弹射救生程序
美国航天飞机的应急处理模式
材料热解的吸热；
热解产生的固体的气体产物温度升高 时的吸热； 固体向内部的导热。
烧蚀式防热结构
烧蚀式防热结构
应用实例 表层为酚醛玻璃蜂窝格内充填石英纤 维加环氧酚醛的低密度烧蚀材料，厚 68.6mm；
第二层为不锈钢焊接结构，厚50.8mm
第三层为低密度纤维隔热层，厚 20.3mm； 内层为铝蜂窝结构，厚38.1mm到太空，更广泛和更深入地认识整个宇宙， 并充分利用太空和载人航天器的特殊环境进行各种 研究和试验活动，开发太空极其丰富的资源。目前 仅美、中、俄三国拥有自主载人航天能力。
中国载人航天的发展
飞船 发射时间 运载火箭 发射地点 任务概况 载人航天工程第一次飞行试 验，考核运载火箭性能和可 靠性，验证飞船关键技术和 系统设计的正确性，以及包 括发射、测控通信、着陆回 收等地面设施在内的整个系 统工作的协调性 试验我国第一艘正样无人飞 船，飞船由轨道舱、返回舱 和推进舱三个舱段组成，系 统结构有了新的扩展，技术 性能有了新的提高，首次在 飞船上进行了诸多领域的实 验。 神舟三号飞船和运载火箭系 统技术进一步提高，飞船搭 载了10项44台有效载荷设备， 完成了多项科学试验，取得 了圆满成功。 神舟四号飞船系统配置、功 能及技术状态与载人飞船基 本相同。载人航天应用系统、 航天员系统、飞船环境控制 与生命保障分系统全面参加 了试验，进行了多项研究项 目
五号
2003年10月15日09时00分
神舟六号
2005年10月12日09时00
神舟七号
2008年9月25日21时10分04秒
神舟八号
2011年11月1日5时58分10秒
神舟九号
2012年06月16日18时37分24秒
中国载人航天的发展
神舟十号
2013.6月11日17时38分
为天宫一号在轨运营提供人员和物资 天地往返运输任务，进一步考核交会 对接、载人天地往返运输系统的功能 和性能;进一步考核组合体对航天员生 活、工作和健康的保障能力;开展航天 器在轨维修等实(试)验和科普教育活动; 进一步考核执行飞行任务的功能、性 能和系统间协调性，验证有关改进措 施的有效性
着陆
回收系统的组成
回收系统
着 陆 系 统
标 位 装 置
漂 浮 装 置
扶 正 装 置
减 速 装 置
执 行 机 构
控 制 装 置
着 陆 缓 冲 机 构
减速装置
减速装置是回收系统的核心，在 实际工程中实现的只有降落伞系 统一种。降落伞是用织物制成的 ，质地柔软，可以折叠成体积不 大的伞包。
减速装置
降落伞降落过程
2018
航天器进入与返回技术(下)
汇报人：杨学
目录 CONTENTS
1 2 3 4 5
概论
防热结构设计
航天器的回收与着陆系统
载人航天救生技术
工作映射
1
概论
航天器进入与返回的概念
什么是航天器的进入与返回？
航天器进入技术是使航天器按预定要求进入行星大气层并在
行星表面软着陆的技术。
航天器进入技术是使航天器按预定要求进入地球大气层并在 行星表面软着陆的技术。
铝 铍 氧化铍 铜 石墨 钛 镁
2643 1746 2775 8939 2194 4518 1794
249.1 69.20 17.3 351.20 72.66 16.95 103.80
660 12184 2549 1083 3704 1690 651
吸热式防热结构设计
应用实例： 吸热式防热结构的防热效率不高 ，但简单易行，被早期的导弹和 飞船采用。如美国的双子星座号 宇宙飞船的交会与回收/再入控制 舱锥段的防热结构
5、防热层材料熔点必须要高，但是受到氧化破坏的限制，使用温度不高
，约600℃~700℃ 6、防热层表面形状和物理状况不变化，所以可用于要求气动外形不变的 航天器，或者防热层可重复使用的航天器。
吸热式防热结构设计
吸热材料选用的原则：
1、热容大
2、热导率高 3、高熔点
吸热式防热结构设计
部分吸热材料性能 材料 密度kg/m³ 比热容kj/ （kg*K） 1.0890 3.3910 2.0930 0.3852 1.9680 0.5443 1.0470 热导率W/(m*K) 熔点℃
吸热式防热结构设计
防热结构设计
吸 热 式 防 热 结 构 设 计
烧 蚀 防 热 结 构 设 计
辐 射 式 防 热 结 构 设 计
吸热式防热结构设计
吸热式防热结构防热机理： 吸热式防热是利用热容大的材料制成的 防热层，能吸收大部分气动加热，使传
入结构内部的热量小到使结构及内部仪
器设备与舱内气体的温升低于允许值
3
航天器的着陆与回收系统
回收系统的组成
回收属航天器返回过程的最后阶段 ──着陆阶段，回收系统是弹道式和 半弹道式返回型航天器的必不可少 的重要组成部分。
拉出减速伞和主伞
返回
返回舱与轨道舱进行调姿
轨道舱与返回舱分离
推进舱与返回舱分离
制动点火
返回舱进行第二次调姿
进入稠密大气层
发出无线电信号
拉出减速伞和主伞
神舟一号
1999年11月20日6时30分7秒
神舟二号
2001年1月10日1时0分3秒 新型长征二号F捆绑式火箭 酒泉卫星发射中心
神舟三号
2002年3月25日22时15分
神舟四号
2002年12月30日0时40分
中国载人航天的发展
将中国首名航天员杨利伟送入太空。飞船运行在 轨道倾角42.4度、近地点高度200公里、远地点 高度350公里的椭圆轨道上，实施变轨后，进入 343公里的圆轨道。计划绕地14圈，历时23小时。 根据规划，接下来的工作目标是将多人送入太空 并逗留更长时间，以及进行太空行走。 费俊龙和聂海胜两名中国航天员被送入太空，预 计飞行时间为5天。先在轨道倾角42.4度、近地 点高度200公里、远地点高度347公里的椭圆轨道 上运行5圈，实施变轨后，进入343公里的圆轨道， 绕地球飞行一圈需要90分钟，飞行轨迹投射到地 面上呈不断向东推移的正弦曲线。轨道特性与神 舟五号相同。 神舟七号载人航天飞行实现了航天员出舱活动和 小卫星伴飞，成功完成了多项技术试验，开启了 我国载人航天工程的新篇章。飞船于2008年9月 28日17点37分成功着陆于中国内蒙古四子王旗主 着陆场。神舟七号飞船共计飞行2天20小时28分 钟。 与"天宫一号"共同执行空间教会对接"神舟八号" 飞船在酒泉卫星发射中心发射，与我国首个空间 站雏形"天宫一号"携手，共同执行我国首次空间 交会对接任务。在顺利完成两次对接任务后，于 2011年11月17日19时36分在内蒙古四子王旗着陆， 我国首次空间交会对接任务完成 此次飞行任务将首次验证手控交会对接技术，进 一步验证自动交会对接技术。同时，还将全面验 证目标飞行器保障支持航天员生活工作的功能、 性能，以及组合体管理技术，首次实现地面向在 轨飞行器进行人员和物资的往返运输与补给，开 展航天医学实验及有关关键技术试验。
吸热式防热结构设计
吸热式防热结构的特点：
1、表面温度不是很高，辐射散热项可以忽略不计 2、防热材料为良导体，全部防热材料立即参与吸热，表面吸收的热量能 很快传到整个防热层厚度。 3、只在加热时间短、热流密度不太高的情况下使用，否则防热层太过笨
重
吸热式防热结构设计
吸热式防热结构的特点： 4、防热层材料必须采用比热容大和热导率高的材料，才可减轻防热层质 量
材料的选择 1、蒙皮材料 外蒙皮材料的选择取决于最大工作温度，而最大工作温度取决于最大 热流密度。
在500℃以下，辐射散热作用不明显，极少采用；
500℃以上，钛合金；
500 ℃~900 ℃，以铁镍钴为基的高温合金；
1000 ℃~1650 ℃，经抗氧化处理的难熔金属； 1650 ℃以上，陶瓷或C/C、C/SiC复合材料
烧蚀式防热结构 烧蚀式防热是目前应用最广泛的一种防热方法，其原理是利用材料的 相变吸热和质量交换来达到防热的目的。下面以常见的炭化烧蚀材料
为例，全过程大概如下：
烧蚀式防热结构 1、当烧蚀防热层表面加热后，烧蚀材料表面温度升高，在温升过程 中依靠材料本身的热容吸收一部分热量，同时向内部结构通过固体传
着陆缓冲装置
着陆火箭
当返回舱乘主伞下降到距地面某个高度
时，着陆火箭给与返回舱一个向上的冲 量，从而使返回舱在着陆瞬时的速度减 小到相当小的数值。
标位装置
标位装置的任务在于在返回器下降过程和着陆后，给出返回器的位置信息，使 回收区人员尽早发现目标，及时开展回收作业。最主要的回收标位装置有以下
几种：
辐射式防热结构
辐射式防热结构的特点
辐射式防热结构的特点： 1、与高温气体接触的外蒙皮，主要功能是辐射散热 2、辐射防热结构虽然受热流密度限制，但不受气动加热时间的限制 ，加热时间越长，总加热量越大，防热效率越高。
3、辐射式防热结构的外形不变，可以满足重复使用和有气动外形要
求的飞行器。
辐射式防热结构
导方式导入一部分热量；
2、只要表面温度低于������������1，上述状态便持续下去，整个结构类似吸热 式防热结构； 3随着加热继续进行，表面温度升高到������������1，材料开始热解，然后材料 大于������������2，材料开始炭化；
4、烧蚀材料分成3个分区：炭化层、热解层和原始材料层