隨著幾十年來航天技術(shù)的不斷提高，航天器被送到太空?qǐng)?zhí)行完任務(wù)之后、還能返回一部分到地面已經(jīng)是司空見慣。

最早出于技術(shù)、成本等方面的考慮，像是東方紅一號(hào)這樣的衛(wèi)星送上天就不再回來了。返回式衛(wèi)星的誕生大致始于軍事偵察及國土普查用途，在航天科技的早期拍照技術(shù)遠(yuǎn)不如現(xiàn)在，需要利用返回的底片沖洗照片，這就需要衛(wèi)星或者僅有“回收桶”帶著底片返回地面。后來隨著各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步，特別是數(shù)碼照相、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷鄠€(gè)學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展，返回式衛(wèi)星開始應(yīng)用于需要回收實(shí)驗(yàn)品的空間試驗(yàn)室。特別是后來載人航天的發(fā)展，與1957年滯留在太空的狗“萊卡”（英文名：Laika，俄語：Лайка）不同，載人航天顯然要求航天員能安全執(zhí)行完任務(wù)回到我們的地球。我國的航天技術(shù)發(fā)展雖然起步稍晚，但早在1975年11月，我國發(fā)射并回收了第一顆返回式衛(wèi)星FSW-1衛(wèi)星，標(biāo)志著我國成為繼美蘇之后、世界上第三個(gè)掌握返回式衛(wèi)星技術(shù)的國家。

FSW-1衛(wèi)星下落（來源：springer，https://link.springer.com/content/pdf/10.1007%2F978-1-4614-5043-6_4.pdf）

正是因?yàn)楹教炱飨胍俜祷氐孛媸掷щy，而且面臨著很多與發(fā)射時(shí)不同的特殊狀況，為了確保其成功就要在航天器可靠性、安全性、通訊等多方面、多環(huán)節(jié)提更高的要求、做更多的工作，所以成本就會(huì)大幅提高。所以相對(duì)航天發(fā)射這“萬里長征”，航天器重新進(jìn)入大氣、返回地面的這“最后一步”，必須謹(jǐn)小慎微，一旦不慎就可能功虧一簣。非常著名的“哥倫比亞號(hào)”航天飛機(jī)失事，就發(fā)生在即將返回地面的最后一刻，7名航天員罹難，調(diào)查認(rèn)為它的解體與隔熱材料受損有關(guān)，高溫從左機(jī)翼融化了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，釀成了悲劇。

哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)的解體慘劇被認(rèn)為與隔熱材料受損有關(guān)，高溫從左機(jī)翼融化了內(nèi)部結(jié)構(gòu)（來源：紐約時(shí)報(bào)，https://www.nytimes.com/2008/12/31/science/space/31NASA.html）

那么，航天器最后的返回，有哪些常見的需要注意的方面呢？

脫離軌道時(shí)的飛行姿態(tài)、速度調(diào)整

如果是衛(wèi)星、航天飛機(jī)等航天器，其返回就要脫離正在飛行的軌道，這對(duì)姿態(tài)調(diào)整和航天器制動(dòng)的技術(shù)都有額外要求。即使是探月之類的長距離飛行，返回地球也先進(jìn)入地球軌道，然后拋棄服務(wù)艙、指令艙等不需要的部分，讓登陸艙脫離軌道返回地面。

航天器脫離軌道時(shí)的速度叫做再入速度，其與地平線所形成的俯角稱為再入角，這些是其返回地球的“初始條件”，為了保證安全、順利，再入角的要求很嚴(yán)：再入角一般在3-7度，如果角度太大，航天器降低高度時(shí)大氣密度變化很快，再入速度大，引起較大的空氣阻力和摩擦加熱，對(duì)航天器各種安全性能要求太高，但如果再入角太小也沒法從幾百公里高度降下來，降低高度的速度太慢。如果是載人航天，還要考慮人體所能耐受的制動(dòng)的限度（10倍重力加速度），故而其再入角常常小于3度。

因此，航天器返回前需要先通過一系列的制動(dòng)對(duì)其姿態(tài)、飛行方向作調(diào)整。航天器調(diào)整姿態(tài)找好推進(jìn)的方向后，還需要保持姿態(tài)穩(wěn)定，以確保制動(dòng)推力方向的準(zhǔn)確。通常這些調(diào)整、脫離軌道都是靠航天器攜帶的小型助推火箭來控制，火箭的點(diǎn)火時(shí)間、推力方向、推力大小與時(shí)間長短都會(huì)影響到再入速度和再入角的準(zhǔn)確度，這就要求有靈敏而可靠的制動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。還有些設(shè)計(jì)方案是讓航天器降低高度進(jìn)入大氣再抬高，利用大氣減速的同時(shí)調(diào)整下一次下降進(jìn)入大氣的角度。

阿波羅飛船的再入角計(jì)算

（來源：https://www.aulis.com/images_re-entry/fig2.jpg）

進(jìn)入大氣后的發(fā)熱應(yīng)對(duì)

宇宙中曬了太陽是極熱、不曬太陽是極寒，航天器往往面臨極端溫度以及受熱不均的問題，本就在控溫方面做了很多工作，例如傳感器監(jiān)測、隔熱罩、熱管、風(fēng)冷回路、電加熱控溫等等。而在返回艙過程中遭遇的溫度則是更加極端的。

航天器在大氣中經(jīng)歷的絕不僅僅是摩擦發(fā)熱。航天器本身飛行速度很大，而且下降過程中在地球引力作用下還會(huì)變得更快，航天器前面的空氣快速、極度壓縮，由于氣體的壓強(qiáng)、體積和溫度等物理性質(zhì)的關(guān)系，這種壓縮可以讓返回的航天器周圍（主要是前端）的空氣溫度急速上升，其高溫足以讓固體發(fā)光、發(fā)熱，我們熟悉的流星發(fā)生的就是這樣的過程。

根據(jù)計(jì)算，航天器在數(shù)百公里高、密度接近真空的高層大氣中，飛行速度為3倍聲速時(shí)前端溫度超過300攝氏度，而當(dāng)飛行速度為6倍聲速時(shí)約為1500攝氏度，而其從高空下降到達(dá)離地面60-70千米時(shí)往往還有20倍聲速，對(duì)應(yīng)的溫度可以高達(dá)上萬度，這必須采用措施來避免其燒毀。

首先延續(xù)剛才談到的姿態(tài)控制的一點(diǎn)，大氣的氣流千變?nèi)f化，會(huì)使高速返回的航天器難以保持固定的姿態(tài)，因此通常把返回艙做成不倒翁的形狀，下降時(shí)的前端又大又圓、而后端較小，可以有效把氣流集中在下降時(shí)的正面前端，我們?cè)诓┪镳^看返回艙實(shí)物的時(shí)候常會(huì)注意到這一點(diǎn)。而頭部這樣一種鈍形的平面，能保證被壓縮的空氣產(chǎn)生的熱量主要集中于這個(gè)鈍形面，不容易影響到返回艙后面，就可以對(duì)這個(gè)鈍形面的隔熱多做文章，比如更結(jié)實(shí)的結(jié)構(gòu)、更好的隔熱層、更多的燒蝕材料涂層等。通過這些技術(shù)，我們可以讓返回艙頭部的溫度控制在可以承受的范圍（通常在1600開氏溫度附近）。

通常，航天器會(huì)采用兩種應(yīng)對(duì)高溫的措施：燒蝕材料技術(shù)和隔熱瓦（絕緣材料）技術(shù)。

航天飛機(jī)表面的隔熱瓦（來源：Space Shuttle Endeavour atCalifornia Science Center，wiki圖片上傳于https://www.flickr.com/photos/skinnylawyer/8143982281/）

燒蝕技術(shù)是給航天器外邊的隔熱層涂上燒蝕材料，這些材料通常氣化熱大、熱容量大、絕熱性好、向外界輻射熱量的功能強(qiáng)，所以在溫度升高時(shí)先發(fā)生氣化、吸收大量熱量，保證隔熱層內(nèi)的溫度不會(huì)太高。我們?cè)诓┪镳^看到的很多返回艙外表是一層黃色，一般是燒蝕材料的顏色。

而隔熱瓦技術(shù)，則應(yīng)用了多樣的絕熱原理，常見的有多孔材料、熱反射材料和真空材料等，它們一塊一塊貼在航天器上，中間留有縫隙，在航天器從宇宙中返回、加熱的時(shí)候熱脹冷縮，剛好把航天器保護(hù)起來而不會(huì)造成擠壓、變形、脫落等問題。這些材料通常導(dǎo)熱系數(shù)小，能耐得住高溫，還要在高溫下能貼的住航天器表面，例如特殊的二氧化硅瓦。

返回過程中的通訊

普通衛(wèi)星在軌工作并不需要保持不間斷的監(jiān)測和聯(lián)絡(luò)，很多衛(wèi)星都是轉(zhuǎn)到頭頂才追蹤和聯(lián)絡(luò)，但返回式衛(wèi)星在下降過程中必須更加頻繁的對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行精確測量和全程跟蹤，并根據(jù)實(shí)測軌道參數(shù)對(duì)衛(wèi)星的程序控制數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的控制和管理。這里除了先進(jìn)的實(shí)時(shí)通訊技術(shù)，還需要格外注意一個(gè)特殊的自然現(xiàn)象：黑障區(qū)。

航天器要返回地面的話，必須利用大氣阻力和火箭推力將速度和高度都逐漸降低下來。但出于燃料等多種因素，在下降的初期，由于航天器的重力勢能與動(dòng)能的交換，在高度降低的過程中其速度變化很小。

上一條我們說到返回艙前端壓縮的空氣達(dá)到了非常高的溫度，實(shí)際上這樣的溫度還會(huì)使航天器附近的氣體“電離”，也就是變成帶電粒子，在航天器周圍形成等離子體鞘，這種現(xiàn)象會(huì)對(duì)電磁波發(fā)生發(fā)射、折射、吸收等效應(yīng)，使得無線電波的最大可使用頻率上升幾千兆赫（kMHz=GHz，如下圖縱坐標(biāo)），甚至更多，足以使航天器與地面控制之間的直接通信中斷，持續(xù)時(shí)間約12至13分鐘，雷達(dá)也無法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)航天器，這個(gè)區(qū)域就稱為“黑障區(qū)”（blackout），如上圖所示。返回的航天器的最大加熱發(fā)生在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，高度約為70公里。

溫度（橫坐標(biāo)）越高，能使用的信號(hào)（signals）所需要的頻率越高（來源：https://www.spaceacademy.net.au/spacelink/blackout.htm）

不過由于該區(qū)域空氣密度急劇增大，航天器下降速度也在急劇下降。隨著飛行器高度的下降，當(dāng)速度降低到一定程度時(shí)（常在40-60公里高度），不再有足夠的溫度使氣體分子電離，等離子體鞘就會(huì)解除，也即是黑障消失。黑障區(qū)的范圍取決于返回航天器的外形、材料、再入速度、無線電的頻率和功率等，如果無線電波頻率選擇的合適，也可以避免黑障現(xiàn)象。

落地速度的調(diào)整

如上條所述，雖然經(jīng)過了制動(dòng)和大氣阻力，但航天器下降到離地較近（10-20公里）時(shí)速度仍然非常大，為了盡快把速度降下來，通常還有配以降落傘（減速傘）。降落傘一來要能經(jīng)得住航天器巨大的速度和質(zhì)量，以免損壞、脫離，二來也要控制好打開的時(shí)間，打開太晚了速度沒減下來，但打開太早了空氣稀薄起不到減速作用，還會(huì)提前磨損降落傘（摩擦、發(fā)熱）。返回的航天器多采用兩個(gè)甚至更多的降落傘，先用小降落傘適當(dāng)減速，最后用大的主降落傘控制落地速度。

阿波羅11號(hào)返回艙打開降落傘的過程圖解（來源：http://nassp.sourceforge.net/wiki/Earth_Landing_System）

回收

最后還有回收工作。如果是航天飛機(jī)則可以在跑道降落，但大部分的返回艙只是落在指定范圍的區(qū)域，需要搜尋甚至海上打撈，因此返回艙中往往還帶有額外的發(fā)信設(shè)備幫助回收人員找到的具體位置。

實(shí)踐十號(hào)回收（來源：新華網(wǎng)）

來源：中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心