中國航天器這次所謂的「打水漂」式返回和美國載人航天飛機返回的原理相同嗎?不同的話,哪個更先進一點? | 知乎問答精選

 

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中國航天器這次所謂的「打水漂」式返回和美國載人航天飛機返回的原理相同嗎?不同的話,哪個更先進一點?

2018年09月13日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 5 ℃ 次

【呂帥fishpaw的回答(50票)】:

接受邀請,誠惶誠恐,希望能夠在一定程度上解答題主的疑問。

針對題主的問題,我的第一反應很直觀,即這兩種返回技術是不相同的,因為題主忽略了一個很重要的問題,中國這次再入返回試驗是針對無人返回艙的,而美國航天飛機是有人的,僅從這點討論,這兩種技術存在很大不同。

下面是相關報道中提到的返回過程:

題主提到的「中國航天器這次所謂的「打水漂」式返回」學名應該叫做「探月工程三期再入返回飛行試驗」,相關技術叫做「航天器以接近第二宇宙速度(11.2km/s)的高速再入返回關鍵技術」可以看一看中國航天科技集團關於這次試驗的報道:再入返回飛行試驗圓滿成功和cnsa.gov.cn/n1081/n7529,文中詳細描述了本次再入返回飛行試驗的過程,總結如下:

  1. 注入導航數據:凌晨5時許,北京航天飛行控制中心通過地面測控站向再入返回飛行試驗器注入導航參數;

  2. 艙器分離:在距地面5000公里的太空中,再入返回飛行試驗器服務艙沿著返回器斜上方緩緩飛離,正常分離;

  3. 服務艙規避機動:艙器分離約3分鐘後,為確保返回器安全,服務艙按照地面科技人員預設程序開始調姿,約8分多鐘後開啟發動機,進行規避飛行。之後,返回器進入了自由飛行狀態;

  4. 建立返回再入姿態:返回艙為返回再入進行姿態準備;

  5. 初次再入:6時13分,在距地面大約120公里的大氣層邊緣,返回器以接近第二宇宙速度進入大氣層,實施初次氣動減速。

    該過程將持續3分多鐘,返回艙在黑障區下降至預定高度後,會在稠密大氣的阻滯下彈跳起來(就像在河面上打水漂一樣,高速飛行的石塊會在水的浮力作用下彈起再落下)。

    對於返回器來說,這一跳是生死攸關的一跳。如果跳不起來,返回艙就會一頭栽下摔個粉身碎骨;如果跳過了,返回艙就會逃離大氣層,無法二次再入。

  6. 第一次升力控制結束,轉自由飛行段:6點17分,跳出大氣層,到達跳出最高點後開始逐漸下降。

  7. 轉入二次再入飛行階段:到達跳出最高點後開始逐漸下降。之後,返回器再次進入大氣層,實施二次氣動減速。6點23分,返回器再次啟動了升力控制(隨後,北京航天飛行控制中心向各測控站發送了落點預報);

  8. 飛出黑障區:6點27分許,返回艙第二次飛出了黑障區;

  9. 彈傘艙蓋:6點31分,在降至距地面約10公里高度時,返回器降落傘順利開傘。短暫的十幾秒鐘後,返回艙打開了傘艙蓋,彈出了減速傘。很快,巨大的主降落傘在減速傘的拖拉下打開了;

  10. 安全著陸:著陸場早已到達預定待命空域的直升機和地面回收分隊,按照北京飛控中心發送的落點預報,向著目標著陸點靠攏。6點42分,返回艙安全著陸。

關於美國航天飛機的著陸過程,相關媒體也有報道:發現號航天飛機著陸全過程描述

和回歸地球母親之路--航天飛機的返回技術,總結如下:

  1. 再入前,航天飛機尾向前、背朝下倒飛,在指定的離軌時刻,點燃減速火箭約 2.5 分鐘,把速度降下約 330 公里/小時,使航天飛機的速度所帶來的離心力不再和地球引力相抵。減速火箭熄火後,航天飛機開始倒翻觔斗調整姿態,最終頭向前、背朝天以約 40 度仰角向前飛行,在衝進密集大氣層時,這個角度是至關重要的。
  2. 如果角度太小,那麼航天飛機就會彈回太空,就像我們用石瓦在水表上打水漂,石瓦會彈跳起來一樣;如果角度太大,航天飛機與空間的摩擦力而過熱,任何一點點差錯都是致命的;

  3. 大約25分鐘後,航天飛機衝進大氣層外層,高度為129公里,速度約 24 馬赫,距離佛羅里達州卡納維拉爾角的著陸點約 8,150 公里。由於太陽活動和高層大氣活動的緣故,航天飛機每次再入的細節總有細微的差異。
  4. 進入大氣層(地球以上85公里)時,航天飛機是水平的,在地球以上85公里,馬上向右滾轉至約 80 度,減速至約 15 倍音速時,向左滾轉至約負 80 度, 到10 倍音速時,再向右滾轉至約 80 度,此後在約 5 倍音速和 3 倍音速時,再左右滾一遍,所以航天飛機時不時地要向另一側滾轉,大傾角側滑有自然轉彎的傾向,在高空劃出高超音速的 S 形,最後改平。

    在再入過程中,大氣氣壓增大,航天飛機的襟翼和方向舵無法發揮作用,此時,需要利用滾轉、俯仰、偏航火箭控制航天飛機的飛行姿態,動壓達到 470 帕時,副翼開始生效,滾轉控制火箭關閉;動壓達到 940 帕時,襟翼開始生效,俯仰控制火箭關閉;偏航控制火箭一直要到速度減到 3 馬赫和 13,720 米高度時才關閉,改由機翼和垂尾的舵面控制;

  5. 一出黑障,航天飛機就出現在大約新奧爾良附近的上空,肯尼迪航天中心的 S 波段雷達就可以截獲航天飛機,休斯敦控制中心就可以著手引導著陸了。這時,航天飛機離著陸還有 12 分鐘,仰角逐漸減小到 14 度。航天飛機的滑翔性能很糟糕,著陸必須一次成功,沒有復飛的機會;

  6. 離著陸場約 96 公里,速度 2.5 馬赫,高度 25,300 米時,地面和航天飛機核對速度、航向、方位,並作必要的校正;

  7. 離著陸場約 15 公里時,航天飛機進入亞音速。在做完最後一個 S 形後,航天飛機轉一個 180 度、直徑 10.9 公里的大彎,對準 12.8 公里外的跑道準備著陸,此時高度 3,048 米,速度 537 公里/小時,下滑角 19 度,下沉率 50.8 米/秒,下滑航線對準跑道前方 1.6 公里的地面,航跡必須穿過在水平和垂直方向不超過 300 米見方的一個虛擬空中窗口;

  8. 高度下降到 500 米時,微波著陸系統幫助航天員對準跑道中線,開始預拉平,下滑角減到 1.5 度,此時速度 574 公里/小時,距離著陸還有 32 秒鐘;

  9. 高度 27.4 米時,飛行員將拉起號航天飛機的機頭,依靠空氣阻力進一步降低它的速度,然後,放下著陸裝置,然後以 352-389 公里/小時的速度,在離跑道端線 762 米處後接地,前輪在滑跑速度降到 305 公里/小時也接地,滑跑總長 2,743 米。之後,降落傘從航天飛機的後部釋放出來,幫助降低速度。飛行員輕輕地放下機頭,把已經沒有用處的降落傘與飛機脫離。最終,航天飛機就會安靜地停在跑道上。

通過上面的描述,相信題主能夠對兩種返回技術的過程有了較為清晰的認識。可以說這兩種技術並沒有絕對地可比性,它們分別適用於不同的航天器,對航天器的體積、材料等有具體要求。

文中難免出現一些錯誤,歡迎大家指正。也有可能沒有完全解答題主的疑問,我希望其他同學看到這篇較為臃腫的回答之後,能對這兩個返回技術有更加全面的瞭解。原諒我看問題還不能夠狠透徹、專業。

最最最後,如果給不了「贊」,就給一個「感謝」唄~

【鸑鷟鵷鶵的回答(34票)】:

謝邀!

通常大家不會去比較挖掘機和小汽車的剎車性能哪個更先進一些,同理……

前者的應用前景是深空探測器的返回技術,當然主要還是針對月球,深空返回的航天器少之又少。

由於是無人,因此大可不必考慮舒適性,加速度可以很大,從而返回時間短,並且可以選擇直接返回;器件耐輻照即可,也不必過度考慮深空的高輻照,甚至直接上核電池;溫控方面,待機乃至關機狀態的溫度也可以很低,畢竟最低儲存溫度通常要低於最低工作溫度。這些都是無人航天器的一些優勢吧。

這其中最著名的當屬NASA的Stardust,紅圈圈起了打開狀態的返回艙,上面的網篩部分收集了星際間和彗尾的物質。Stardust是迄今最快的人造返回物體,高達12.9 km/s,峰值加速度34g。通常這類返回艙通過灼燒表層來帶走與大氣摩擦生熱從而降低溫度,而航天飛機的熱防護主要是隔熱。

後者的應用前景是載人太空探索,眾所周知航天飛機是有史以來乘員數量,空間,可攜帶物質,舒適度,可重複率等諸多方面很有優勢的載人航天器。其中的一大特點即是加速度低,大量的空間在生命維持系統內運作,低空的輻照由於地球磁場要小一些。

下圖是航天飛機的基本返回姿態,40度仰角滑行,並且在大氣密度逐漸增加時作出從航天飛機逐漸向飛機過渡的調整。

而遙遠未來可能的深空載人航天返回技術我更傾向於後者,只是多一步利用引力助推來減速並被地球俘獲,這之後的事情大家應該就很熟悉了。

【yyywww的回答(8票)】:

不一樣

嚴格來說,1969年阿波羅登月回來,就是你所說的打水漂方式,氣動力減速後再次再入

而航天飛機,是高昇阻比飛行器,和飛機一樣,能滑行很遠,而飛船早期彈道再入,後來有限攻角下滑行

簡單的說,加入外太空來的飛行器速度一定,降落的過程就是動能被阻力消耗為0的過程。

結果是,飛船在大氣中飛行距離短,阻力大,而航天飛機飛行距離長,阻力小

航天飛機降落時過載不超過1.5G,普通人沒有心腦血管問題就可以座,而飛船降落過載超過4G,最大可達6G,需要飛行員的體質,普通人,如第一個太空乘客南非富商,下來時是吃藥昏睡過去才降落的(和大劑量暈車藥一個道理)

而航天飛機呢,你要知道74歲的老格林,美國第一代航天員,1958年的老航天人,在1994年重上太空,座的是航天飛機,地球上沒有任何一個其他飛行器可以達到同樣的效果!

現實是,地球上70%上過太空的人,是坐航天飛機上去的

讓普通人上太空,這是航天飛機最大的貢獻!

【sinixyang的回答(2票)】:

採用打水漂模式是因為剛從高軌道下來速度太大,需要減速,但是又沒有足夠的燃料做機動,那就靠大氣減速。畢竟還是火箭的載重太少,不得已為之。

所以不是技術先不先進的問題,而是手上只有這手牌,但要在下次任務之前驗證其他技術的可靠性。

【jamesr的回答(0票)】:

air braking

標籤:-航天飛機 -中國航天 -載人航天 -嫦娥五號


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