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2017年10月9日，美国加州范登堡空军基地，美国太空探索技术公司9日从美国西海岸发射“猎鹰9”火箭，一箭十星，成功将美国铱星通讯公司下一代全球卫星计划第三批10颗卫星发射至目标轨道。随后，火箭第一级再次成功实现海上回收。这让马斯克离完成目标更进了一步：2017年，SpaceX公司的计划是完成20-24次的发射。这一成功发射也标志着太空探索公司火箭返回技术的成熟。 事实上，相比于航天器的发射、入轨，航天器的返回是更为巨大的挑战。尽管理论上，利用火箭推力可以把航天器送入太空，利用其反推力也可以使航天器减速到软着陆。但火箭发射是一个用动能换取位能的过程，返回自然就是用位能换取动能的过程。抛开气动摩擦和燃料消耗，发射阶段的火箭推力和燃烧时间该多大，纯粹用反推力软着陆的刹车火箭的推力和燃烧时间也就要多大，这自然是很难做到的。然而埃隆·马斯克做到了。 火箭的主发动机能够提供巨大推力，猎鹰回收难点在于保持回收过程稳定性，这对控制技术提出了极高要求。然而飞船、卫星等普通航天器的回收难度不仅仅在控制技术领域，事实上，普通航天器的减速火箭的减速作用很小，只能将航天器的速度降低到不足以维持轨道运行的临界速度以下，使航天器脱离地球轨道。一般航天器采用弹道式再入加降落伞的方式。也就是说，像陨石一样在重力作用下自由下落，然后在稠密大气层内一定高度时打开降落伞，用气动阻力减速，实现软着陆。苏俄的宇宙飞船返回舱，美国航天飞机固体推进器都采用了此技术美航天飞机详解之固体助推器。弹道式再入飞行器一般没有升力，抛物线运动是我们最简单的的弹道。 发射成功只是一半，返回是更大的挑战。宇宙飞船采用的弹道式返回＋伞降回收是航天器回收最成熟、采用最为广泛的回收方式 航天飞机固体推进器采用伞降回收，回收后翻修接着用，大大节省了发射成本 浅析再入式航天器钝头体设计 2中说过，航天器自由下落过程中，气动加热使其表面急剧升高。采用尖头体能够减低气动阻力以减少气动加热，但再入过程中超高速使边界层气动加热的升温速度太快，尖头对减小气动加热的作用微乎其微，头锥受到在时间和空间上高度集中的热负荷，根本没有时间散热，耐热材料或隔热、散热、导热技术只能略微推迟被烧毁的时机，不能从根本上改变被烧毁的结局。 1951年，NACA（NASA的前身）的物理学家亨利艾伦在研究中发现，高速的航天器前端对空气产生强烈压缩，在前方大气中形成一个弓形激波，激波前沿的空气密度急剧升高，实际上像一堵坚硬但移动的墙一样，航天器则在墙后的尾流中前行。由于和前方静态空气直接接触的是激波锥而不是航天器本身，气动加热主要由激波前沿和前方的静态空气之间的压缩和摩擦产生，热量也主要沿密度极高的激波锋面内部传导和耗散。如果航天器表面和激波锋面保持一定的距离，激波锋面和航天器表面之间的边界层实际上形成保护层，航天器本身承受的热负荷就要小很多。因此，亨利艾伦提出，航天器的头部应该是钝形，在艏部推出一个宽大和强烈的激波，并使波锋面远离航天器本体，就像平头的驳船船首推开的波浪一样，形成有效的热保护。 实际数据表明，航天飞机再入段初期，圆钝的头锥前方几米外激波前沿的温度可达摄氏5300度，但航天飞机表面“仅仅”感受到1260度左右，说明了激波隔热的有效性。 但这只解决了问题的一半。剩余的气动加热问题依然严重，需要用烧蚀型散热材料用时间换温升。图中可见航天飞机鳞次栉比的隔热瓦 航天器返回时的气动升温是一个严峻的技术挑战 航天飞机返回采用的是大气层内的滑翔降落方法，但气动加热的问题更加棘手。急剧降低高度和减速将导致严重的瞬时气动加热，但速度和高度降不下来导致长时间滑翔则延长气动加热时间，引起累积蓄热问题。图为航天飞机再入过程中的地面航迹 航天飞机的滑翔返回是比宇宙飞船的弹道式返回更大的技术挑战 航天飞机再入过程并不是水平滑翔直到着陆，而是时不时调皮一下——横向滚转至90度，用主动丧失升力来降低高度，用增加迎角来降低速度 然而横滚会带来自然的转弯倾向，这就有可能使其偏离航迹，所以航天飞机要不时反向横滚一下以保持航向。 航天飞机轨道器滑翔着陆，着陆过程不提供任何动力。所以，航天飞机在自控发动机推动下降速以脱离地球轨道、进入大气层，之后即不可能飞回太空，只能继续按预定轨迹滑翔、降落。这要求航天飞机能够滑翔一定距离，既不能过长（累积蓄热），也不能过短（瞬时升温），所以轨道器设计需要在二者之间取个平衡，这就要求轨道器返回时必须沿一条精细计算过的在瞬时气动加热和累计气动加热之间最小化的路径下滑，以最大限度地降低热负荷。
此外轨道器还要具备良好的滑翔操控能力（不能偏离预定航迹，否则就回不了家）。最终NASA为航天飞机选择了具有较高升阻比的细长机翼。然而航天飞机在返回大气层最高速度可以高达24个马赫，机体结构要求轨道器必须采用阻力最小的升力体（扁平短拙、大后掠角）。需要在矛盾体的两个极端取个折中，折中的结果损害了操控性能，航天飞机的操纵特性据说和一块飞行的砖头差不多，使用要求非常高。
滑翔式的再入轨道是一个很小的窗口，既要避免“过度滑翔”早晨的累积气动加热过度，又要避免“过度减速”造成的瞬时增温失控
近年来出现了一种全新的航天器返回模式——弹道式再入+大气层内滑翔式再入相结合的全新方式。我们称之为半弹道跳跃式。所谓半弹道式就是返回时它具有一定升力的，那么在飞行过程中可以减缓过载。所谓跳跃就是飞行器第一次进入大气层后，利用大气层和近地空间的空气密度差，产生强大的气动升力，把航天器弹跳出大气层，弹起一次，然后航天器在地球引力作用下再次进入大气层，返回地面。从而增大飞行的航程，减缓飞行速度。这个过程很像在大气层边缘打水漂。
在大气层中打水漂，对角度精度的要求不言而喻，如果再入角小了，试验器就飞远了，角度大了就可能沉下去，因此控制技术更为关键，最终目的是利用这一过程来释放动能、减少再进入大气层时的难度。
返回轨道：a）弹道式，b）滑翔式（航天飞机），c）滑跃式（嫦娥五号）
在大气层边缘的滑跃式再入是另一个思路 黄色轨迹显示航天器再入大气层气动加热升温，然而这个过程非常短，随后航天器以打水漂方式返回寒冷的近地空间期间散热。从而大大降低返回期间气动加热积累的问题。
这和前一张图是一个意思，但容易看出，第一次再入时的角度和速度决定了弹出时的角度和速度，而这决定了第二次大气层外弹道式飞行的距离和第二次再入的角度、速度 应该注意的是，航天器在大气层边缘弹跳飞行时，升力的来源将不是常规的机翼，而是激波。返回时的高速足以产生一个强大的激波锥，这相当于一圈坚硬如铁的盾牌。有意思的是，这道盾牌在压缩前方空气时，不仅吸收气动加热，还产生压缩升力，好比滑水板在水面高速划过时产生的动浮力一样。控制航天器的姿态可以有效地改变激波的形状和迎角，进而改变升力的大小，控制反弹的力度；甚至可以产生侧向的升力，改变航向。随着动能在每一次弹跳中的消耗，航天器的迎角应该有所增加，以补偿升力的损失。最后速度降低到不足以维持强大激波锥的时候，也是该返回地球的时候了。 |
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