中國航天器這次所謂的「打水漂」式返回和美國載人太空梭返回的原理相同嗎?不同的話,哪個更先進一點?
返回器以接近第二宇宙速度進入大氣層,實施初次氣動減速。下降至預定高度後,返回器向上躍起,跳出大氣層,到達跳出最高點後開始逐漸下降。之後,返回器再次進入大氣層,實施二次氣動減速。
接受邀請,誠惶誠恐,但願能夠解答題主疑問。
針對題主的問題,我的回答很明確:這兩種返回技術是不相同的。從我的角度來看,這兩個技術難度沒有可比性,因為技術難度存在於不同方面:中國的再入返回試驗器的返回技術難度更大,但對返回艙本身的要求不是很高。美國的太空梭本身難度更大,所以對返回要求並不是很高(注意:這種對比是相對的,無論採取哪種返回技術,哪種航天器外形設計,難度都是很高的)。
題主提出的「中國航天器這次所謂的「打水漂」式返回」官方稱為「探月工程三期再入返回飛行試驗」,使用無人返回艙(但根據長遠規劃,這次實驗的目標是針對載人返回艙),相關技術官方稱為「航天器以接近第二宇宙速度的高速再入返回關鍵技術」,屬於跳躍式返回,先還原一下本次再入返回飛行試驗的過程:
- 注入導航數據:凌晨5時許,北京航天飛行控制中心通過地面測控站向再入返回飛行試驗器注入導航參數;
- 艙器分離:在距地面5000公里的太空中,再入返回飛行試驗器服務艙沿著返回器斜上方正常分離;
- 服務艙規避機動:艙器分離約3分鐘後,為確保返回器安全,服務艙按預設程序開始調姿,約8分多鐘後開啟發動機,進行規避飛行。返回器進入自由飛行狀態;
- 建立返回再入姿態:返回艙為返回再入進行姿態準備;
- 初次再入:6時13分,在距地面大約120公里的大氣層邊緣,返回器以接近第二宇宙速度進入大氣層,實施初次氣動減速。該過程持續3分多鐘,返回艙在黑障區下降至預定高度後,會在稠密大氣的阻滯下彈跳起來。
對於返回器來說,這一跳是生死攸關的一跳。如果跳不起來,返回艙就會一頭栽下摔個粉身碎骨;如果跳過了,返回艙就會逃離大氣層,無法二次再入。
第一次升力控制結束,轉自由飛行段:6點17分,跳出大氣層,到達跳出最高點後開始逐漸下降。
轉入二次再入飛行階段:返回器再次進入大氣層,實施二次氣動減速。6點23分,返回器再次啟動了升力控制;
飛出黑障區:6點27分許,返回艙第二次飛出了黑障區;
彈傘艙蓋:6點31分,在降至距地面約10公里高度時,返回器降落傘開傘,十幾秒鐘後,返回艙傘艙蓋打開,減速傘彈出,之後,主降落傘在減速傘的拖拉下打開;
安全著陸:6點42分,返回艙安全著陸。
參考資料:
- 再入返回飛行試驗圓滿成功
- 國家航天局
同樣,還原一下美國太空梭的返回過程:
- 再入前,太空梭尾向前、背朝下倒飛,在指定的離軌時刻,點燃減速火箭約 2.5 分鐘,把速度降下約 330 公里/小時,減速火箭熄火後,調整姿態,最終頭向前、背朝天,以約 40 度仰角向前飛行。
- 大約25分鐘後,太空梭衝進大氣層外層,高度為129公里,速度約 24 馬赫。在地球以上85公里,向右滾轉至約 80 度,減速至約 15 倍音速時,向左滾轉至約負 80 度, 到10 倍音速時,再向右滾轉至約 80 度,此後在約 5 倍音速和 3 倍音速時,再左右滾一遍,大傾角側滑有自然轉彎的傾向,所以太空梭會在高空划出高超音速的 S 形,最後改平。
- 一出黑障,肯尼迪航天中心的 S 波段雷達截獲太空梭,休斯敦控制中心引導著陸。這時,太空梭離著陸還有 12 分鐘,仰角逐漸減小到 14 度;
- 離著陸場約 96 公里,速度 2.5 馬赫,高度 25,300 米時,地面和太空梭核對速度、航向、方位,並作必要的校正;
- 離著陸場約 15 公里時,太空梭進入亞音速。在做完最後一個 S 形後,太空梭轉一個 180 度、直徑 10.9 公里的大彎,對準 12.8 公里外的跑道準備著陸,航跡必須穿過在水平和垂直方向不超過 300 米見方的一個虛擬空中窗口;
- 高度下降到 500 米時,微波著陸系統幫助航天員對準跑道中線,開始預拉平,下滑角減到 1.5 度,此時速度 574 公里/小時,距離著陸還有 32 秒鐘;
- 高度 27.4 米時,飛行員將拉起號太空梭的機頭,依靠空氣阻力進一步降低它的速度,然後,放下著陸裝置,然後以 352-389 公里/小時的速度,在離跑道端線 762 米處後接地,前輪在滑跑速度降到 305 公里/小時也接地,滑跑總長 2,743 米。之後,降落傘從太空梭的後部釋放出來,幫助降低速度。飛行員輕輕地放下機頭,把已經沒有用處的降落傘與飛機脫離。最終,太空梭就會安靜地停在跑道上。
如果角度太小,那麼太空梭就會彈回太空,就像我們用石瓦在水表上打水漂,石瓦會彈跳起來一樣;如果角度太大,太空梭與空間的摩擦力而過熱,任何一點點差錯都是致命的;
參考資料:
- 發現號太空梭著陸全過程描述
- 回歸地球母親之路――太空梭的返回技術
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11月5日更新:今天不知從哪裡來了許多贊(依舊誠惶誠恐吶),使我不得不再次審視這個問題,因為我覺得初次解答時,只是大致還原了一下兩種飛行器的返回過程,並沒有給予題主很實質性的解答,所以之後又查閱了很多資料,對原來答案進行了一些修改,調整了一下回答的結構,使大家能更明確地了解到內容。同時,有人評論說太空梭的返回果然更複雜,我認為可能是給出的關於太空梭的返回數據細節更多一些,造成了一定程度的誤讀,所以,我儘可能地刪減了一些細節(有興趣的同學,仍舊可以通過參考資料里的鏈接找到這些很有意思的內容)。另外,為了更直面地解答題主的疑問,我補充了後面的內容。
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上面提到,中國再入返回試驗器的難點在於返回技術,美國太空梭的難點在於太空梭本身。既然題主提出的是關於返回技術方面的疑惑,下面就對返回技術本身進行討論:返回技術的不同很大一部分集中在選擇了不同的返回軌道,這是多種原因引起的,比如航天器自身設計、進入大氣層邊緣的初速度等等。可能的軌道有:
- a:沿陡峭彈道的彈道式再入;
- b:沿傾斜彈道的彈道式再入;
- c:升力式軌道;
- d:跳躍式軌道。
詳細情況如下:
詳細情況如下:
- a:沿陡峭彈道的彈道式再入
- b:沿傾斜彈道的彈道式再入
- c:升力式軌道
- d:跳躍式軌道
經歷的航程和時間較短,因而氣動加熱的總量較小,防熱問題較易處理,航天器氣動外形不複雜(旋成體)。但是,著陸點散布廣,再入走廊狹窄,另外,即使再入速度為第一宇宙速度,但短航程仍會帶來很大的制動過載,航天員的安全係數小。蘇聯和美國早期的載人飛船都是採用這種方式。
通過配置質心的方法,航天器進入大氣層運動時產生一定可控制的升力,從而緩和減速過程,使最大制動過載減小,熱流峰值降低。通過升力控制,從而在一定範圍內可以控制航天器的著陸位置,其最大過載也大大小於沿陡峭彈道的彈道式再入,當再入速度為第一宇宙速度時,這種方式也能夠滿足要求。中國神舟飛船採取這種方式。
當要求水平著陸時,配置質心的方法不能夠給航天器足夠大的升力,因而其升阻比一般都大於1,只能採用不對成的升力體,與彈道式再入相比,該種方式過載小,機動範圍大,著陸精度高,但是給航天器本身設計提出了較高的要求。蘇聯和美國的太空梭採取這種方式。
航天器進入大氣層,依靠升力再次衝出大氣層,做一段彈道式飛行,然後再進入大氣層,也可以多次出入大氣層,每進入一次大氣層就利用大氣進行一次減速(上圖的示例表現地有些誇張,事實上,一開始進入大氣層並不會那麼深入),所以這種方法能夠起到很好的減速效果。以往我國航天器再入返回,都是在第一宇宙速度之下進行的。而在尋求航天器以較快速度再入返回地球時,則必須在第二宇宙速度下進行,採用跳躍式軌道,可以拉長再入距離,減小過載和總熱流。中國本次再入返回試驗器就採用了這種方式。
參考資料:
- 天津航天愛好者談嫦娥五號飛行試驗器
- 嫦娥五號T1飛行試驗器(CE-5/T1)-xihuashe
- 嫦娥五號或明日發射 飛行器將用跳躍式彈起返回地球
- 深度:淺析嫦娥三期再入返回試驗 為載人探月打前站
- 中國突破航天器高速再入技術 飛行軌道精至厘米
- 神六背景:神舟飛船返回技術起點高
- 遠程火箭與衛星軌道力學基礎
通過以上的描述,我相信可以解答題主的疑惑了。在回答問題過程中,通過查閱資料,讓我著實長了不少知識,所以,推薦大家閱讀一下參考資料里鏈接的內容,有些很詳細,能夠給大家更具體詳實的內容。
文中難免出現一些錯誤,歡迎大家指正。
最最最後,如果給不了「贊」,就給一個「感謝」吧。
謝邀!
通常大家不會去比較挖掘機和小汽車的剎車性能哪個更先進一些,同理……
由於是無人,因此大可不必考慮舒適性,加速度可以很大,從而返回時間短,並且可以選擇直接返回;器件耐輻照即可,也不必過度考慮深空的高輻照,甚至直接上核電池;溫控方面,待機乃至關機狀態的溫度也可以很低,畢竟最低儲存溫度通常要低於最低工作溫度。這些都是無人航天器的一些優勢吧。
這其中最著名的當屬NASA的Stardust,紅圈圈起了打開狀態的返回艙,上面的網篩部分收集了星際間和彗尾的物質。Stardust是迄今最快的人造返回物體,高達12.9 km/s,峰值加速度34g。通常這類返回艙通過灼燒表層來帶走與大氣摩擦生熱從而降低溫度,而太空梭的熱防護主要是隔熱。
後者的應用前景是載人太空探索,眾所周知太空梭是有史以來乘員數量,空間,可攜帶物質,舒適度,可重複率等諸多方面很有優勢的載人航天器。其中的一大特點即是加速度低,大量的空間在生命維持系統內運作,低空的輻照由於地球磁場要小一些。
下圖是太空梭的基本返回姿態,40度仰角滑行,並且在大氣密度逐漸增加時作出從太空梭逐漸向飛機過渡的調整。
而遙遠未來可能的深空載人航天返回技術我更傾向於後者,只是多一步利用引力助推來減速並被地球俘獲,這之後的事情大家應該就很熟悉了。
採用打水漂模式是因為剛從高軌道下來速度太大,需要減速,但是又沒有足夠的燃料做機動,那就靠大氣減速。畢竟還是火箭的載重太少,不得已為之。
所以不是技術先不先進的問題,而是手上只有這手牌,但要在下次任務之前驗證其他技術的可靠性。
不一樣
嚴格來說,1969年阿波羅登月回來,就是你所說的打水漂方式,氣動力減速後再次再入
而太空梭,是高升阻比飛行器,和飛機一樣,能滑行很遠,而飛船早期彈道再入,後來有限攻角下滑行
簡單的說,加入外太空來的飛行器速度一定,降落的過程就是動能被阻力消耗為0的過程。
結果是,飛船在大氣中飛行距離短,阻力大,而太空梭飛行距離長,阻力小
太空梭降落時過載不超過1.5G,普通人沒有心腦血管問題就可以座,而飛船降落過載超過4G,最大可達6G,需要飛行員的體質,普通人,如第一個太空乘客南非富商,下來時是吃藥昏睡過去才降落的(和大劑量暈車藥一個道理)
而太空梭呢,你要知道74歲的老格林,美國第一代航天員,1958年的老航天人,在1994年重上太空,座的是太空梭,地球上沒有任何一個其他飛行器可以達到同樣的效果!
現實是,地球上70%上過太空的人,是坐太空梭上去的
讓普通人上太空,這是太空梭最大的貢獻!
不相同。中國這次是半彈道式再入,太空梭則是升力式再入。二者的最顯著區別在於飛行器在再入過程中產生升力的大小,或者說升阻比的大小。可以很明顯的看到,月球返回實驗的再入體是一個倒鐘形的旋成體,這種外形的飛行器只能靠質心偏心行成一個很小的攻角,相應的升力也很小,這樣再入的角度也就相應較大,再入過程中的過載也較大,更主要的是精度不是很高,且最後需要放出主傘減速垂直落地。而太空梭的外形與飛機類似,可以提供較大的升力,最後水平著陸,再入過程中承受的過載和振動等都較小,但給防熱系統帶來了很大的壓力,受到的約束更多,再入走廊更狹窄。總體上來看,太空梭更為先進。
其實打水漂再入,不是被大氣層彈起來了哦。
打水漂再去恰恰是利用大氣層減速後實現再次再入。並且這個上升的力不是來自於大氣層,而是返回器的本事的軌道,返回器會經過近地點,經過近地點後很自然的海拔高度就會再次上升,但上升的這段依然在大氣層中,會進一步減速,速度越來越低,最後就又往下掉…
從月球返回的難點在於返回速度過大(因為返回器事實上類似於掙脫月球引力後被地球引力吸引著往下掉,從那麼高的一個軌道上掉下來速度是很大的),直接一頭猛衝進大氣層會導致過載過大。用火箭燃料減速,不經濟。於是就利用大氣層減速。
這個事情,談太空梭和有著第二宇宙速度的航天器沒啥意思,太空梭返回之所以能以那麼小的過載實現,第一是它火箭發動機制動減速,第二是太空梭本身機動減速;以第二宇宙速度的航天器,第一沒那麼多重量來裝制動火箭,第二宇航員相對而言能抗更高的載荷。特別要注意第二宇宙速度這個前提,一般航天器返回也用不著打水漂,宇航員也吃得消。
所以哪個更先進,談不上。
下降中減速時間越長,峰值能量越小啊,這樣機體就不用承受那麼高的熱量,而且太空梭落地准啊!希望搞特斯拉那誰回收火箭時考慮太空梭這種方法吧,用燃料反推實在得不償失啊
可惜啊,老美現在也拋棄了星際飛船的夢想……
坎巴拉宰人計劃的大氣jiansu
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