 美國獵戶座從月球返回，但返回時的軌道不一般。這種“打水漂”一樣的軌道到底有什么優點？技術難度如何？中國在該領域是什么水平？
（阿爾忒尼斯計劃，發射獵戶座飛船的全程展示） 美國獵戶座飛完成探月飛行成功返回地球，但這次返回非常不一般。在進入大氣層時，獵戶座飛船采用了【再入跳躍式軌道】技術，精確落入指定位置。那么為何要用這種軌道？技術有何優點和難點？中國是否已經掌握？ 【水漂軌道，優點超多】 再入跳躍式軌道，也叫半彈道再入，也就是我們常說的“水漂軌道”，它的特點就是航天器多次進/出大氣層，這種軌道與傳統直接再入式軌道存在明顯區別，能夠有效降低航天器再入式的速度，避免產生較大的過載，安全性好。
（返回器“水漂”再入返回飛行過程示意圖） 傳統返回式航天器多采用直接返回軌道，這種軌道模式技術簡單，容易實現，對于飛船要求不高。但是缺點也非常明顯，就是要求航天器速度不能太高，否則航天器重返大氣層的時候過載會很大，容易控制，對于航天器安全性造成不利影響，也會降低航天器著陸精度。 當年蘇聯探測器5號從月球返回，抵達地球的時候，速度高達11公里/秒，相當于第二宇宙速度。它采用直接返回軌道強行返回，重返大氣層的時候，過載高達16G，落點誤差接近1000公里。
（若是直接返回落地，飛行器在大氣層內運動減速距離就短，效果就差） 為了解決這個問題，再入跳躍式返回軌道就出現了。它的原理非常簡單，那就是充分利用大氣層為航天器減速。當航天器沖入大氣層的時候，飛船速度會減慢，但飛船不急于返回地面，而是再次升高，然后再次降低。通過來回進出較為稀薄的大氣層，令飛行器比較柔和的，從高速變為低速。 飛船減速過程被刻意拉長，不會引起過大的過載，航天器安全性能更高，同時航天器也更容易控制，落點誤差更小。
（多次進出稀薄大氣層，可溫和的將飛船速度降低，確保安全精確著陸） 【“打水漂”難在哪里？】 不過這樣的彈道對于航天器及軌道設計提出了更高要求，難度極大，要求航天器飛行控制系統能夠精確計算出飛行軌道，還能夠精確控制自己的狀態和姿態，提高飛行精度。 由于難度太大，早期航天器只能采用采取部分跳躍的方案來降低過載，例如阿波羅登月飛船在進入大氣層之后，全程在大氣層內跳躍，高度也不到100公里，當然效果相對也要差一些，阿波羅登月飛船返回地球的時候過載能夠控制在7G以內，落點偏差為50公里左右。
（阿波羅計劃探月過程示意圖，過程與現代大致類似，但細節差別很大） 盡管這些指標比直接返回軌道有明顯改善，但是距離人們要求仍然有一定差距。 進入新世紀，人們對新一代航天器要求更高，例如NASA就要求獵戶座探月飛船能夠在任意時刻返回地球，也就是說航線起點可以是月球軌道任何一個位置，還要保證飛船能夠在地球指定位置精確著陸。
（獵戶座可以隨時啟動返回地球，有很強實用價值，方便處理突發情況） 在這種情況下，獵戶座探月飛船要具備大距離機動能力，但是它本身能夠提供升力有限，因此再入式跳躍軌道必不可少。獵戶座探月飛船此次返回航跡與阿波羅探月飛船明顯不同，它首先再入大氣層，利用大氣減速，然后再飛出大氣層，飛行一段時間之后再次進入大氣層，二次減速。這樣飛船經過多次減速，過載進一步降低，落點更容易控制。 【太空打水漂技術，中國早已掌握】 我們能看到，打水漂的難度確實非常大。首先需要飛船飛行控制系統能夠精確計算出相關軌跡引導飛船飛行，還要穩定飛船狀態，以提高飛行精度。然后它在大氣層內飛行時間較長，需要考慮高超聲速飛行狀態。多次進入大氣層，氣動加熱，需要考慮蝕燒防護問題等等。
（從月球“掉”回地球時，飛行器速度遠遠超過近地軌道的飛船，減速是大問題） 再入式跳躍軌道對于中國航天器來說非常重要，我們全球測控網還在發展之中，航天器返回只能選擇本土，這樣就要求航天器能夠精確在國內著陸場著陸，所以中國探月航天器也采用了再入式跳躍軌道。
（嫦娥五號返回艙，經受住了軌道控制與高溫的考驗，成功將月壤帶回中國） 2020年中國嫦娥五號探月飛行器攜帶月球樣品返回，返回艙和飛行器在太空預定位置成功分離，返回艙以再入式跳躍軌道多次進/大氣層，成功降低了速度，航程超過6000公里。 期間過載控制在5G以下，返回艙外形完好，沒有明顯的損傷。由于速度降低，過載減少，返回艙在預定位置精確打開降落傘降落，誤差不到2公里，實現了超高精度著陸，成功將月球樣本帶回祖國，再次顯示了中國航天的技術實力。
（嫦娥五號的返回艙個頭并不小） |
|
|
來自： James5291 > 《中美 俄烏 巴以》
