空间飞行器设计-第11讲

1、 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，其余的物品配置在“设备舱”、“轨道舱”等内。11.1 返回技术 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

2、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。 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：利用制动火利用制动火箭箭 和 利用空气阻力利用空气阻力。 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。返回的四个阶段：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

3、下降。在100km左右进入稠密大气层(AB段)。(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。 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。航天器返回过程 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。再入航天器的分类再

4、入航天器的分类 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。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(810g)，只能垂直着陆。可采取伞状阻尼板。1. 纯弹道式再入航天器2. 半弹道式再入航天器（L/D0.5) 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

5、置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。2. 半弹道式再入航天器（L/D0.5) 可分为升力体（0.5L/D1.3)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。 航天飞机（Space Shuttle）属于有翼航天器。 1981年4月，美Columbia 号首

6、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。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0.51.3之间。 航天器高速再入大气层，在空气动力的作用下急剧减速，同时巨大的动能和势能转化为巨大的热能。因此，要尽量减少传递给航天器的热量。 对于弹道式再入航天器，通过精心选择航天器的几何外形来减少传到结构的热量。一般采用钝头形状。98热量被扩散，只有12传给航天器结构。但这些热量仍然很大。(1)热沉法： 利用非消融性防热材料的热容量提供对航天器内部结构和设备的保护。 热沉（heat sink）式防热结构的蒙皮厚，采用的金属材料的比

7、热高、导热性好，熔点高（铍、铜等），能容纳气动力热传给结构的热量。（2）辐射法： 辐射式防热结构的蒙皮采用很薄的耐热合金（镍、铌、钼等合金）。从蒙皮表面向外辐射的热量qw与蒙皮表面温度Tw的4次方成正比。Stefen-Boltzmann（全辐射）定律：式中=5.67x10-8W/m2K4,称Stefen-Boltzmann常数,对绝对黑体=1 目前耐高温金属材料的性能，使辐射法只适用于最大热流不超过100大cal/m2的情况。400),()(TdTMTJ (3)烧蚀法： 固态高分子材料（酚醛玻璃钢、尼龙酚醛增强塑料等）在加热条件下表面部分材料熔化、蒸发或升华，或分解气化。在此过程中，吸收一定的

8、热量，这种现象叫“烧蚀”。 广泛应用于远程导弹的弹头防热结构中，也是弹道式航天器的主要防热方式。 缺点是再入航天器只能一次使用，并且再入体表面烧蚀后，气动外形略有变化。 航天器下降到15km左右的高度，速度已减小到亚音速。为保证安全着陆，仍需采取进一步的减速措施。 弹道式再入航天器常采用降落伞，降落伞具有包装体积小、重量轻、展开后阻力面大、可靠性高的优点。现已有可操纵的降落伞。 降落伞着陆系统在15km以下高度工作，一般为两级减速：先在9km左右打开引导伞和减速伞，将航天器减速至80m/s左右；然后在7km左右高度开主伞，减速至最终要求。 航天器飞行至距地面100公里时进入大气层，产生所谓的“黑障”现象，这是因为航天器与大气剧烈摩擦，在其四周产生了一个等离子(Plasma)壳，此时航天器内暂时无法与地面通讯。距地面40km时出“黑障”区。 一般，载人飞船着陆速度不得大于6m/s，在海上不大于10m/s，无人航天器亦不得大于15m/s