空間飛行器設(shè)計-第11講

1、 航天器分進(jìn)入式（返回型）和非進(jìn)入式（非返回型）兩大類。 航天器從大氣層外的飛行軌道進(jìn)入地球的稠密大氣層，稱“進(jìn)入”或“再入”。 航天器脫離空間軌道進(jìn)入大氣層并在地面安全著陸的過程，稱航天器的返回。 航天器設(shè)計中有意識地將返回物品和設(shè)備集中安裝在“再入艙”內(nèi)，其余的物品配置在“設(shè)備艙”、“軌道艙”等內(nèi)。11.1 返回技術(shù) 20世紀(jì)40年代末，美、蘇實(shí)現(xiàn)地球物理火箭和高空生物火箭箭頭的回收。50年代末，美國發(fā)展照相偵察衛(wèi)星，經(jīng)12次連續(xù)失敗，于1960.8首次從海上回收“發(fā)現(xiàn)者13”回收艙。60年代，掌握航天器從繞地軌道和從月球軌道彈道式返回地面技術(shù)。70年代，在金星和火星軟著陸?！按篪B”偵察衛(wèi)

2、星的膠卷艙分期返回。我國返回式衛(wèi)星。80年代，航天飛機(jī)，實(shí)現(xiàn)了升力式返回技術(shù)。 返回過程是一減速過程，從軌道上的高速減速到接地時的安全著陸速度。 理論上，實(shí)現(xiàn)返回有兩種方法：利用制動火利用制動火箭箭 和 利用空氣阻力利用空氣阻力。 單純利用火箭動力，會增加運(yùn)載火箭的有效載荷，增加起飛質(zhì)量；不經(jīng)濟(jì)，不現(xiàn)實(shí)。 利用稠密大氣（幾十km）對航天器的空氣阻力，使航天器減速；經(jīng)濟(jì)，可行。需一能量不大的制動火箭。返回的四個階段：返回的四個階段：(1) 離軌段（制動飛行段） 制動火箭作用，脫離原運(yùn)行軌道，轉(zhuǎn)入一條能進(jìn)入大氣層的過渡軌道。(2) 大氣層外自由下降段 制動火箭熄火，航天器在重力作用下沿過渡軌道自由

3、下降。在100km左右進(jìn)入稠密大氣層(AB段)。(3) 再入大氣層（大氣層內(nèi)飛行段） （B點(diǎn)以下）(4) 著陸段（回收段） 當(dāng)航天器下降到15km以下的高度，進(jìn)一步減速，保證其安全著陸。 航天器從其他星球航行歸來，進(jìn)入地球大氣層（VII），同樣要經(jīng)歷再入段和著陸段。航天器返回過程 再入航天器以很高的速度進(jìn)入大氣層，承受嚴(yán)重的氣動加熱和制動過載。因此，航天器的氣動外形、結(jié)構(gòu)、返回軌道、返回控制等都是按再入段工作條件設(shè)計的。 航天器在大氣層內(nèi)運(yùn)動，除受重力外還受空氣動力作用?？諝鈩恿煞纸鉃樽枇和升力L。按高超聲速時的升阻比大小，再入航天器可分為彈道式和升力式（滑翔式）兩大類。再入航天器的分類再

4、入航天器的分類 無升力或只有無法控制的有限升力；外形一般是鈍頭的軸對稱旋轉(zhuǎn)體；在大氣里經(jīng)歷的時間很短（不超過400s），總加熱量相對小些，防熱結(jié)構(gòu)簡單。 美、蘇早期的返回式航天器均屬此類。1. 純彈道式再入航天器缺點(diǎn)：再入過程的運(yùn)動無法控制。制動火箭工作結(jié)束后，落點(diǎn)便已決定。落點(diǎn)偏差大（可達(dá)上百公里）； 加熱時間短，迎風(fēng)面熱流大，常采用燒蝕式防熱結(jié)構(gòu)； 再入過載大(810g)，只能垂直著陸?？刹扇銧钭枘岚?。1. 純彈道式再入航天器2. 半彈道式再入航天器（L/D0.5) 在純彈道式基礎(chǔ)上，增加有限的、可控的升力，以控制再入軌道的航天器叫半彈道式（升力彈道式）再入航天器。 原理：將航天器重心配

5、置在離中心軸一段很小的距離處，加以“配平攻角”，產(chǎn)生部分升力。將航天器繞其縱軸旋轉(zhuǎn)一角度，升力得以分解為一個向上的力和一側(cè)向力。后者用以控制航天器的落點(diǎn)。 目前，這種再入可控制落點(diǎn)偏差范圍在2 km以內(nèi)。2. 半彈道式再入航天器（L/D0.5) 可分為升力體（0.5L/D1.3)兩種。1.有翼航天器 具有升力面，升阻比大于1.3，可滑翔數(shù)千公里、水平著陸。可以多次重復(fù)使用，最大制動過載1g。外形兼顧從高超音速到亞音速各個階段，幾何外形和結(jié)構(gòu)復(fù)雜。氣動加熱熱流低，但時間長、總加熱量大。防熱結(jié)構(gòu)沉重。 航天飛機(jī)（Space Shuttle）屬于有翼航天器。 1981年4月，美Columbia 號首

6、次載人升空并成功返回；1988年11月，蘇“暴風(fēng)雪”號首次不載人軌道飛行成功。2. 升力體 又稱升力艇。沒有機(jī)翼。利用機(jī)身的氣動力外形產(chǎn)生一定的升力。 升阻比在0.51.3之間。 航天器高速再入大氣層，在空氣動力的作用下急劇減速，同時巨大的動能和勢能轉(zhuǎn)化為巨大的熱能。因此，要盡量減少傳遞給航天器的熱量。 對于彈道式再入航天器，通過精心選擇航天器的幾何外形來減少傳到結(jié)構(gòu)的熱量。一般采用鈍頭形狀。98熱量被擴(kuò)散，只有12傳給航天器結(jié)構(gòu)。但這些熱量仍然很大。(1)熱沉法： 利用非消融性防熱材料的熱容量提供對航天器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)備的保護(hù)。 熱沉（heat sink）式防熱結(jié)構(gòu)的蒙皮厚，采用的金屬材料的比

7、熱高、導(dǎo)熱性好，熔點(diǎn)高（鈹、銅等），能容納氣動力熱傳給結(jié)構(gòu)的熱量。（2）輻射法： 輻射式防熱結(jié)構(gòu)的蒙皮采用很薄的耐熱合金（鎳、鈮、鉬等合金）。從蒙皮表面向外輻射的熱量qw與蒙皮表面溫度Tw的4次方成正比。Stefen-Boltzmann（全輻射）定律：式中=5.67x10-8W/m2K4,稱Stefen-Boltzmann常數(shù),對絕對黑體=1 目前耐高溫金屬材料的性能，使輻射法只適用于最大熱流不超過100大cal/m2的情況。400),()(TdTMTJ (3)燒蝕法： 固態(tài)高分子材料（酚醛玻璃鋼、尼龍酚醛增強(qiáng)塑料等）在加熱條件下表面部分材料熔化、蒸發(fā)或升華，或分解氣化。在此過程中，吸收一定的

8、熱量，這種現(xiàn)象叫“燒蝕”。 廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的彈頭防熱結(jié)構(gòu)中，也是彈道式航天器的主要防熱方式。 缺點(diǎn)是再入航天器只能一次使用，并且再入體表面燒蝕后，氣動外形略有變化。 航天器下降到15km左右的高度，速度已減小到亞音速。為保證安全著陸，仍需采取進(jìn)一步的減速措施。 彈道式再入航天器常采用降落傘，降落傘具有包裝體積小、重量輕、展開后阻力面大、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)已有可操縱的降落傘。 降落傘著陸系統(tǒng)在15km以下高度工作，一般為兩級減速：先在9km左右打開引導(dǎo)傘和減速傘，將航天器減速至80m/s左右；然后在7km左右高度開主傘，減速至最終要求。 航天器飛行至距地面100公里時進(jìn)入大氣層，產(chǎn)生所謂的“黑障”現(xiàn)象，這是因?yàn)楹教炱髋c大氣劇烈摩擦，在其四周產(chǎn)生了一個等離子(Plasma)殼，此時航天器內(nèi)暫時無法與地面通訊。距地面40km時出“黑障”區(qū)。 一般，載人飛船著陸速度不得大于6m/s，在海上不大于10m/s，無人航天器亦不得大于15m/s