李大偉

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

0 引言

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

空間返回技術對于未來的太空探索具有重要意義。哥倫比亞號航天飛機的悲劇凸顯了具有魯棒性和高可靠性的返回系統的重要性。作為上一代主力空天運輸載體的航天飛機退役之后，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返回所涉及的關鍵技術環(huán)節(jié)包括超高聲速再入系統，這其中包含了熱防護系統（TPS），導航制導控制系統（NG&C）；降落與著陸系統，其中包括降落傘、氣袋以及它們的控制系統。作為一個整體，我們將它們統稱為再入、降落及著陸系統（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）和一些相關系統技術做簡要的回顧，分析各組成單元的主要技術要點以及目前的應對方法。表1對這些問題做了總結；另一方面，當今涌現出來的一些新技術在未來可能極大地影響 EDL設計，如先進的電子信息技術，膨脹體/展開體系統，高升阻比運載器和微小型再入飛行器等。表2對這些技術進行了總結。

表1 空間返回技術的主要挑戰(zhàn)

表2 空間返回技術的主要機遇

1 超高聲速再入

1.1 熱防護系統

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系統（TPS）保護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到或超過太陽表面的溫度。現役的無人/載人飛行器的 TPS大部分都針對于低軌道再入，而對應于月球返回、火星再入和火星返回等飛行任務的很少或者根本沒有。原因在于自從阿波羅時代對于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，研究的重點也轉移到可單次使用、偏向于探索類任務的載人式的飛行器上。值得注意的是自從阿波羅時代以后對于燒蝕性 TPS的研究已經大大減少。

圖1 阿波羅號再入

最近有針對于在火星表面實現降落大噸位載荷（1800kg，兩倍于火星科學實驗室）可行性的研究受到了廣泛關注。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條件。其中新一代輕質高熱流 TPS與亞聲速降落傘被認為是最亟待解決的重要技術環(huán)節(jié)。

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

1.2 大氣捕獲

大氣捕獲作為一項在高超聲速再入中很重要的技術，已經受到了普遍的關注。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聯，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)現計劃中也有它的身影（盡管后者由于設計失誤導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劃中就得到了應用，之后奧德賽計劃也采用了這項技術。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的空間探索是有益的。其最主要的優(yōu)勢在于減少燃料質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%。大氣捕獲技術可以加以改造使其可以用來應對阿波羅號由于天氣惡劣引起的發(fā)射事故（雖然從來沒有實現過）。這項作為發(fā)射失敗的應急對策技術可以使阿波羅號在進入再入過程以后重新飛離大氣層，在經過半個軌道周期后進入第二次再入過程，以捕捉到更好的返回時機。NASA曾經資助過一個叫做大氣輔助飛行實驗（AFE）的計劃，意圖驗證包括大氣捕獲在內的一系列針對于登月返回艙超聲速再入技術。不幸的是AFE由于計劃延遲和預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計劃，其中大氣捕獲作為一個備選方案。

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。對于像航天飛機這樣的可以產生足夠的升力的中升阻比飛行器而言，機體外形與質心位置的設計是與采用控制舵面與反應控制系統（RCS）來實現飛行控制的能量管理技術相耦合的。另一方面，對于艙體或其他低升阻比飛行器，它們只能產生比較小的升力，它們的機體外形與質心位置的設計是與自旋穩(wěn)定裝置和減速傘相聯系的。以上思路已經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者號等無人飛行器計劃。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，我們必須在探測器處于高速狀態(tài)時展開降落傘，而稀薄的火星大氣給這一任務帶來了難題。這個問題的解決方案如下：在速度為2馬赫左右時展開超聲速降落傘，然后當速度降為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 60年代首次研制載人航天系統時，美國就為水星號、雙子號和阿波羅計劃選擇了簡單且安全的水著落方式。這是一個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（這在水星號早期的飛行中曾經發(fā)生過）。航天飛機采用的類似于普通飛機那樣的跑道式著陸方式極大地推動了陸地著陸的水平。相反前蘇聯的首次載人飛行的著陸方式則是陸地著陸，當飛船離地1米時開啟制動火箭來保證平穩(wěn)著陸。這項技術已經經受了80次飛行的考驗，并且沿用至今。目前面臨著一個巨大的挑戰(zhàn)：那就是為未來載人航天設計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)以往的航天飛機式的著陸方式。正如之前所述，X-38采用的降落傘系統值得借鑒；與此同時降落傘系統的可靠性也是需要解決的問題之一。

對于無人飛行任務而言，人們已經開發(fā)并成功驗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 其他相關技術

除了以上 EDL各階段所對應的技術以外，還存在這一些擴展到兩個或多個階段之間的技術，這里我們稱之為相關技術。第一是準確著陸，這需要貫穿于整個再入過程的高精度導航制導控制技術（NG&C）和正確的控制策略。未來的鳳凰號與火星科學實驗室（MSL）是集成這一技術的典型代表。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，在制導算法上都采用了阿波羅號的再入制導算法；著陸方式則選擇了制動火箭系統。在這種方法下，兩者都可以達到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不小的進步。對于未來的空間探索任務，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艙體與物資的著陸地點，50-500m的著陸精度是必要的。高升阻比的飛行器的應用可以解決高速狀態(tài)下的機動性問題；亞音速指令傘與動力控制可以解決低速狀態(tài)下的機動性問題。信息技術的發(fā)展可以改進制導控制系統的精度并增強成像系統與災難預警系統。

著陸點的選擇與災難預警是未來航天的一項重要技術。對于無人飛行任務而言，目前對于著陸點的選擇主要依靠地面與在軌衛(wèi)星的同時監(jiān)測；對于載人飛行任務，阿波羅號是最好的例子：阿波羅號需要監(jiān)測系統與航天員手動控制來實現著陸點的選擇與災難預警。對于未來到遙遠天體的飛行任務而言，這無疑是重要的；同樣由于需要應對各種發(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計方法和高精度分析的優(yōu)化設計飛行器具有遠大的應用前景?，F存的再入系統的設計只是在質的層面上保證了再入的安全性，而在量的層面上還沒有達到要求。比如未來可能需要從火星采集具有生化傳染危險的樣本返回地球，這時必須要求整個再入過程的失敗率低于某一個指標，比如百萬分之一。除了高可靠性的設計方法以及高精度的分析以外，地面測試和飛行驗證對于新一代飛行器的設計也具有重要意義。

5 結論

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

[1] Claude Graves. Entry，Descent and Landing White Paper.submitted to the NASA HQ Exploration Mission Division internal call for white papers，May，2004

[2] Claude Graves. Aerocapture White Paper, submitted to the NASA HQ Exploration Mission Division internal call for white papers，May，2004

[3] Claude Graves. Deployable/Reconfigurable Entry Systems White Paper. submitted to the NASA HQ Exploration Mission Division internal call for white papers, May, 2004

[4] Chris Cerimele. Deceleration，Stabilization，Terminal Descent，and Landing Systems，submitted to the NASA HQ Exploration Mission Division external call for white papers，May，2004

[5] Charles A. Smith，Entry Systems for Space Exploration，submitted to the NASA HQ Exploration Mission Division external call for white papers， May， 2004

[6] Joseph Carroll. White Paper on CEV Concepts for Nearand Far-Term Needs，submitted to the NASA HQ Exploration Mission Division external call for white papers，May，2004

[7] Daniel J. Rasky. Entry Systems for Sample Return-，submitted to the NASA HQ Exploration Mission Division internal call for white papers，May，2004

[8] Daniel J. Rasky, James Reuther. Analysis，Modeling and Simulation for Entry Systems，submitted to the NASA HQ Exploration Mission Division internal call for white papers，May，2004

[9] William H. Ailor，Vinod B. Kapoor，Gary A. Allen，Jr.，Ethiraj Venkatapathy，James O. Arnold，Daniel J. Rasky.Pico Reentry Probes: Affordable Opitons for Reentry Measurements and Testing，2nd Annual Internal Probes Workshop，NASA Ames，August，2004

[10] Jaun R. Cruz et al. EDL Technology Concept Trade Study for Increasing Payload Mass to the Surface of Mars，Final Presentation to the Jet Propulsion Laboratory，Nov.，2004