半彈道式再入

半彈道式再入是指返回器在再入地球稠密大氣層時通過滾動控制調整升力方向的再入方式。這種再入方式可以有效減小再入過程中的超重，降低熱流密度，並可利用升力在一定範圍內控制落點，提高著陸精度。還能夠有效減小了太空人承受的過載，使得太空人感覺更輕鬆。

基本介紹

• 中文名：半彈道式再入
• 外文名：Semi-ballistic reentry
• 別名：彈道升力式再入
• 領域：航空航天
• 試驗時間：1965年
• 試驗飛船：“雙子星座”號飛船

定義

對於受控再入的太空飛行器而言，一般再入方式可以分為彈道式再入、半彈道式再入和升力式再入。半彈道式再入又稱彈道升力式再入，是指升阻比不大於0.5的返回器在再入地球稠密大氣層時通過滾動控制調整升力方向的再入方式。

控制原理

半彈道式再入一般套用乾採用旋成體外形大頭朝前的返回器，這種返回器的質心沿速度方向在壓力中心之前，但偏離縱軸一個小的距離。在再入地球稠密大氣層過程中，在某一個迎角下，作用在返回器上的氣動力矩為零，該迎角稱為配平迎角。在以配平迎角飛行時，作用在返回器上的氣動力既有阻力又有升力。在再入過程中，通過三軸角速率阻尼控制返回器的姿態，通過轉動返回器改變升力的垂直分量和水平分量，從而能在一定範圍內控制再入軌道，調整著陸點位置。

美國的“雙子星座號”飛船和“阿波羅”飛船、前蘇聯的“聯盟號”飛船以及中國的“神舟號”飛船的返回艙都採用半彈道式再入方式。“聯盟號”飛船返回艙的配平迎角約為20°，配平迎角下的升阻比不大幹0.3，可將著陸點偏差控制在30km之內。

圖1為半彈道式再入的返回器以配平迎角飛行的原理圖，相關參數解釋如下。 ——飛行速度； ——氣動力合力； ——升力和阻力； ——法向力和軸向力； ——氣動力矩； ——配平迎角； ——氣動力合力與人背的夾角； ——質心偏離縱軸的距離： —— 氣動力中心和質心的縱坐標； ——氣動力與縱軸的夾角。

圖1 半彈道式再入的返回器以配平迎角飛行的原理圖

特點

返回器即便採用軸對稱的外形，其重心也與其對稱軸有一定距離，因此在其穿越大氣層的過程中，飛行方向與對稱軸之間有一定的夾角，從而產生一定的升力，可以有效減小再入過程中的超重，降低熱流密度，並可利用升力在一定範圍內控制落點，提高著陸精度。從離開原軌道直至返回地面，整個航程雖達到上萬公里，但有效減小了太空人承受的過載，使得太空人感覺更輕鬆。此種再入方式穿越大氣層的飛行時間較長，大氣摩擦加熱產生的總熱量很高，因此需要更為可靠的太空飛行器防熱系統。

發展歷程

美國和蘇聯在掌握了彈道式再入的技術後，積極從事半彈道式再入技術的研究。

“雙子星座”號飛船

1965年美國“雙子星座”號飛船成功地進行了半彈道式再入的返回技術試驗，大大提高了著陸精度，同時也為“阿波羅”飛船的月球返回技術奠定了基礎。

1968年12月21日“阿波羅”號飛船首次載有3名航天員飛向月球，在繞月球飛行後安全返回地面。

在此前後，蘇聯的半彈道式再入的返回技術也取得巨大成就。1968年“聯盟”號載人飛船首次成功地返回地面，表明前蘇聯掌握了從繞地軌道返回的半彈道式再入的返回技術；1970年9月前蘇聯“月球”16號探測器的返回艙帶著月球土壤以半彈道式再入返回地面。