空间返回技术发展现状

李大伟

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

0 引言

对于传统意义上的空间运输，人们首先想到的是进入太空。在这种思维定势的影响下，不同的推进系统的选择成为主要话题，从而忽略了对于其他任务段的技术需求的重视，比如空间返回技术。

空间返回技术对于未来的太空探索具有重要意义。哥伦比亚号航天飞机的悲剧凸显了具有鲁棒性和高可靠性的返回系统的重要性。作为上一代主力空天运输载体的航天飞机退役之后，取而代之的是新一代载人空间探测飞行器（CEV），以及新一代的无人着陆器和样本采集飞行器，以及采用了核推进装置并可以在发射失败的情况下安全再入的外层空间探测器。空间返回所涉及的关键技术环节包括超高声速再入系统，这其中包含了热防护系统（TPS），导航制导控制系统（NG&C）；降落与着陆系统，其中包括降落伞、气袋以及它们的控制系统。作为一个整体，我们将它们统称为再入、降落及着陆系统（EDL）。

本文以下要对 EDL的主要组成部分（再入、超声速/亚声速降落以及着陆）和一些相关系统技术做简要的回顾，分析各组成单元的主要技术要点以及目前的应对方法。表1对这些问题做了总结；另一方面，当今涌现出来的一些新技术在未来可能极大地影响 EDL设计，如先进的电子信息技术，膨胀体/展开体系统，高升阻比运载器和微小型再入飞行器等。表2对这些技术进行了总结。

表1 空间返回技术的主要挑战

表2 空间返回技术的主要机遇

1 超高声速再入

1.1 热防护系统

对于超高声速再入而言，最重要的莫过于选择合适的热防护系统（TPS）保护飞行器不受高热流的影响，再入过程中冲击层的温度可以达到或超过太阳表面的温度。现役的无人/载人飞行器的 TPS大部分都针对于低轨道再入，而对应于月球返回、火星再入和火星返回等飞行任务的很少或者根本没有。原因在于自从阿波罗时代对于TPS的研究主要针对从近地轨道（LEO）再入大气的有翼飞行器。近些年NASA重新把重心放到了月球、火星及外层空间的探索上，研究的重点也转移到可单次使用、偏向于探索类任务的载人式的飞行器上。值得注意的是自从阿波罗时代以后对于烧蚀性 TPS的研究已经大大减少。

图1 阿波罗号再入

最近有针对于在火星表面实现降落大吨位载荷（1800kg，两倍于火星科学实验室）可行性的研究受到了广泛关注。人们提出了5种不同的方案以及解决这些方案所需要的技术条件。其中新一代轻质高热流 TPS与亚声速降落伞被认为是最亟待解决的重要技术环节。

现有的几种材料技术可能满足这些要求，比如由 NASA埃姆斯航天中心所研究的轻质陶瓷烧蚀材料，已经在火星探路者与火星探测流浪者（“机遇”号和“勇气”号）得到了应用。另一方面对于一系列中密度烧蚀材料的研究也在进行中。但迄今为止以上所有的材料的性能都没有达到 NASA对于新一代载人飞行器的要求。

1.2 大气捕获

大气捕获作为一项在高超声速再入中很重要的技术，已经受到了普遍的关注。简单而言，大气捕获就是利用星体大气改变飞行器的双曲线轨道，使之成为一个稳定的椭圆轨道。大气捕获与直接再入存在密不可分的关联，后者是指处于双曲线轨道的飞行器的再入、降落（也有可能着陆）。大气捕获与大气制动是不同的概念，后者是多次利用大气改变已有的稳定椭圆轨道，比如使之成为圆轨道或降低轨道高度。直接再入第一次得到应用是阿波罗号与它的前身-烈火 1&2号，近些年来在火星探路者与起源发现计划中也有它的身影（尽管后者由于设计失误导致降落伞没有打开最终以300km/h的速度坠毁）。大气制动最早在金星麦哲伦计划中就得到了应用，之后奥德赛计划也采用了这项技术。大气捕获目前为止还存在巨大的发展潜力。

很多研究表明大气捕获对于太阳系内的空间探索是有益的。其最主要的优势在于减少燃料质量而相对增加有用载荷比。对于火星大气捕获和地球大气捕获，单位载荷的成本分别可以减少 12%和32%。大气捕获技术可以加以改造使其可以用来应对阿波罗号由于天气恶劣引起的发射事故（虽然从来没有实现过）。这项作为发射失败的应急对策技术可以使阿波罗号在进入再入过程以后重新飞离大气层，在经过半个轨道周期后进入第二次再入过程，以捕捉到更好的返回时机。NASA曾经资助过一个叫做大气辅助飞行实验（AFE）的计划，意图验证包括大气捕获在内的一系列针对于登月返回舱超声速再入技术。不幸的是AFE由于计划延迟和预算透支等问题被迫下马。之后所有针对超高声速再入的研究都在等待新的机会以崭露头角。其中最值得期待的莫过于即将到来的新千年ST-9计划，其中大气捕获作为一个备选方案。

2 超声速/亚声速

对于解决超声速与亚声速阶段的再入、降落与着陆（EDL）问题存在两种不同的思路。对于像航天飞机这样的可以产生足够的升力的中升阻比飞行器而言，机体外形与质心位置的设计是与采用控制舵面与反应控制系统（RCS）来实现飞行控制的能量管理技术相耦合的。另一方面，对于舱体或其他低升阻比飞行器，它们只能产生比较小的升力，它们的机体外形与质心位置的设计是与自旋稳定装置和减速伞相联系的。以上思路已经分别在载人航天飞行活动与无人航天飞行活动中得到了应用，具体包括水星号、双子号与阿波罗号的载人飞行以及维京号、探路者号和金星先驱者号等无人飞行器计划。在伽利略号木星探测器的再入过程使用的减速伞也得到了成功。图2显示了采用新控制策略的X-38。X-38作为一个中升阻比的飞行器，在超声速阶段使用控制舵面与ACS，之后有顺序地展开几个降落伞，其中包括在亚音速降落阶段里采用的可操纵翼伞。对于火星无人探测器，为了使之在降落之前的加速度在一定范围内，我们必须在探测器处于高速状态时展开降落伞，而稀薄的火星大气给这一任务带来了难题。这个问题的解决方案如下：在速度为2马赫左右时展开超声速降落伞，然后当速度降为1马赫左右展开亚音速降落伞。最近有针对在火星降落大质量货舱的不同方案的研究。这些方案包括3马赫超声速降落伞、更大且更高效的亚声速降落伞以及降落伞簇。

图2 X -38降落

3 着陆

早在 20世纪 60年代首次研制载人航天系统时，美国就为水星号、双子号和阿波罗计划选择了简单且安全的水着落方式。这是一个卓有成效但又开支巨大的着陆方式。另外水波的振动也会使航天员感到不适，还存在着飞船沉没带来的危险（这在水星号早期的飞行中曾经发生过）。航天飞机采用的类似于普通飞机那样的跑道式着陆方式极大地推动了陆地着陆的水平。相反前苏联的首次载人飞行的着陆方式则是陆地着陆，当飞船离地1米时开启制动火箭来保证平稳着陆。这项技术已经经受了80次飞行的考验，并且沿用至今。目前面临着一个巨大的挑战：那就是为未来载人航天设计一种基于飞船或者其他低升阻比的飞行器的着陆方式，而不是继续以往的航天飞机式的着陆方式。正如之前所述，X-38采用的降落伞系统值得借鉴；与此同时降落伞系统的可靠性也是需要解决的问题之一。

对于无人飞行任务而言，人们已经开发并成功验证了一系列的着陆策略，其中包括末端制动火箭（维京号、火星探路者号等）、着陆火箭（维京号）、气袋（探路者号）等。

4 其他相关技术

除了以上 EDL各阶段所对应的技术以外，还存在这一些扩展到两个或多个阶段之间的技术，这里我们称之为相关技术。第一是准确着陆，这需要贯穿于整个再入过程的高精度导航制导控制技术（NG&C）和正确的控制策略。未来的凤凰号与火星科学实验室（MSL）是集成这一技术的典型代表。作为低升阻比飞行器，两者都采用了维京号的超声速减速伞和亚声速减速伞（非指令）系统，在制导算法上都采用了阿波罗号的再入制导算法；着陆方式则选择了制动火箭系统。在这种方法下，两者都可以达到10km的着陆精度，这和火星探路者100km的着陆精度比起来是一个不小的进步。对于未来的空间探索任务，特别是星际移民，一般都需要将居住舱体和生活物资先于人着陆到星体表面。这种情况下为了保证宇航员可以安全抵达舱体与物资的着陆地点，50-500m的着陆精度是必要的。高升阻比的飞行器的应用可以解决高速状态下的机动性问题；亚音速指令伞与动力控制可以解决低速状态下的机动性问题。信息技术的发展可以改进制导控制系统的精度并增强成像系统与灾难预警系统。

着陆点的选择与灾难预警是未来航天的一项重要技术。对于无人飞行任务而言，目前对于着陆点的选择主要依靠地面与在轨卫星的同时监测；对于载人飞行任务，阿波罗号是最好的例子：阿波罗号需要监测系统与航天员手动控制来实现着陆点的选择与灾难预警。对于未来到遥远天体的飞行任务而言，这无疑是重要的；同样由于需要应对各种发射以及着陆事故，这对于未来频繁的载人发射及着陆也具有很重要的意义。

新一代融入了可靠性设计方法和高精度分析的优化设计飞行器具有远大的应用前景。现存的再入系统的设计只是在质的层面上保证了再入的安全性，而在量的层面上还没有达到要求。比如未来可能需要从火星采集具有生化传染危险的样本返回地球，这时必须要求整个再入过程的失败率低于某一个指标，比如百万分之一。除了高可靠性的设计方法以及高精度的分析以外，地面测试和飞行验证对于新一代飞行器的设计也具有重要意义。

5 结论

随着人类航天活动日新月异的发展，空间返回技术将会在太空探索中扮演越来越重要的角色。在空间返回技术中，最核心技术莫过于再入、降落及着陆技术及其分系统技术，此外一些相关技术也具有重要意义。本文主要对以上技术的现有发展水平及其未来的发展方向做了详细阐述。这些技术问题对于最终拓展人类的航天活动领域具有重要意义。

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