飛船返回艙著陸前的落體階段，為什麼能夠較大面積一端在前？

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一個對稱均勻的椎體在反抗空氣阻力落體的過程中，穩定的姿態不應該是小端在前（向下）嗎，圖片中的姿態是不穩定平衡（一個微小的不對稱阻力就會使它翻轉）。那麼航天器較大面積一端在前是怎麼做到的？這麼做的好處又是什麼？

首先，飛船返回艙的設計目標是大頭朝前。

飛船以高超音速（第一宇宙速度相當於25倍音速）再入大氣層時壓縮前面的空氣產生激波，會把空氣加熱到極高的溫度。與一般的常識不同，熱量主要來自激波壓縮而不是摩擦。如果飛船前面是鈍頭，產生的弓形激波和繞流有助於分散熱流量和增加空氣阻力降低速度。正面熱流率較高可以用一塊防熱大底集中保護起來，側面的舷窗和背面的對介面等脆弱部分在熱流率較低的位置比較好辦。

仔細看問題原圖裡的兩層發光部分，前面一層是激波、後面一層和尾跡是繞流氣流。激波和飛船表面保持一段距離，中間形成一個類似「氣墊」的高溫低速氣流區域。高溫低速相對於高溫高速已經好對付一些了，這一部分由防熱大底保護。由於飛船正面和側面銜接處形成一個拐角，來自正面的高溫的繞流氣流在這裡從飛船表面分離形成尾跡，進一步避免了飛船側面直接受熱。

導彈彈頭相反，為了避免空氣阻力影響精度，再入大氣層時尖頭朝前。尖端緊貼激波表面受熱集中，並且保持較高的速度進入稠密大氣層，對防熱材料要求高的多。

然後，飛行物體的重心要在焦點（氣動力中心）（感謝@郭世鵬糾正，原來回答誤為壓力中心）之前才能保證姿態穩定性。

對於返回艙，為了保證以大頭朝前的姿態穩定飛行，重心要接近底部。重心位置可以通過艙內物體的擺放布局來設定。

前幾年聯盟號有一次險性事故，返回艙和推進艙沒有分離導致重心位置不對，一起在錯誤的姿態下倒著再入大氣層，對介面燒到冒煙差一點燒穿。最後返回艙和推進艙連接的結構先被燒斷，飛船在高超音速狀態下翻過來穩定在正確的姿態成功著陸。宇航員生命無礙，但是在不正常的體位下受到了10個G左右的加速度衝擊，其中搭車的韓國宇航員傷了腰直接退役了。

補充：用Bing代替Google搜到的英文原版報道，同類事故多達四次，弄混了。
上面的細節來自1969年的聯盟5號事故
Soyuz 5

When the Soyuz started aerobraking
in the upper reaches of the atmosphere, the combined spacecraft sought
the most aerodynamically stable position - nose forward, with the heavy
descent module facing directly into the air stream with only its light
metal entry hatch at the front to protect it. The gaskets sealing the
hatch began to burn, filling the compartment with dangerous fumes. The
deceleration, while normal for reentry, pulled Volynov outward against
his harness rather than against the padded seat. Fortunately, as the
thermal and aerodynamic stresses on the combined craft increased, struts
between the descent and service modules broke off or burned through
before the hatch failed. The descent module immediately righted itself
once the service module was gone, with the heat shield forward to take the brunt of re-entry.

兩次被戰鬥種族隱瞞的事故，直到後來TMA11上的NASA宇航員被忽悠到發飈才曝光
Soyuz TMA-10

2007年的聯盟TMA11事故，韓國女宇航員受傷退役
Soyuz TMA-11

想看花邊新聞的：韓國首位航天員的顛簸之旅
韓國首位航天員的顛簸之旅

題主的思路大體上是沒有錯的，誠然，一個椎體在隨意拋出後，其小端是可以趨向於朝向速度方向的。
不過我們需要注意的是，物體的姿態主要是由於空氣的摩擦力導致的，而摩擦力和運動方向和速度有關。因此我們應該以運動方向為參考方向來探討這個姿態問題。而不應該以重力方向。
題主的想法雖然是基本正確的，但是存在兩個問題。一是理想模型的穩定點沒有討論完全，二是構建的物理模型也不夠完善。
首先，即使是均勻的椎體，也不一定是小端朝向速度方向的。
其次，返回艙的質量不是均勻的，實際上重心不在幾何中心。
我們將通過一些模擬演示來說明這些問題。打開algodoo，某學生教具，咱們來模擬一下情況。
我們首先構建一個返回艙，其實返回艙並不是標準的椎體，而是兩個椎體拼接而成的。這可以提高其在大頭朝下狀態下的穩定性。
然後我們為他構建一個風洞實驗，我們把它放在大風裡吹，看看他最後會保持什麼狀態。

如圖所示，中間的東西就是返回艙，外面我們就當它是個風洞，右邊用彈簧掛著個物塊用來讓大家直觀的感受一下風向。
由於我關掉了重力，返回艙中間鉸接的地方，鉸接在哪裡，我們就可以等效地認為哪裡是重心。

我們把鉸接點放在中間左右的位置，模擬質量均勻的情況，打開風洞。如圖所示。

小頭朝向了風的逆方向，即運動方向。這說明題主的推測是基本正確的。但是我們需要注意的是，這個實驗中，我的設置的初始狀態是小頭基本朝向速度方向的。

但是，如果我們讓初始態從一開始就是大頭朝向速度方向呢？如圖所示：

返回艙顯示出了另一種穩態，但是和我們看見的其實還不太一樣，我們在電視上看見的返回艙，大頭是完完全全朝向速度方向的。圖中的姿態往往是很少見的。
事實證明，將返回艙扔進大氣層，實際上是有至少兩種姿態的。一種小頭朝向速度方向，一種大頭斜朝向速度方向。說一定是小頭朝向速度方向是不準確的。

這是因為所謂的穩定狀態，就是質心所在軸線兩側所受摩擦力相同，由於屬於同一剛體速度相同，所以只需要兩側受風面面積與角度的相關函數的積分值相同便可以了。不一定要是小頭那端才能滿足這個關係，而小頭朝向速度的姿態恰巧滿足這個關係罷了。事實上大頭完全對準速度方嚮應該也是平衡姿態，由於我的圖畫的不夠對稱，所以擺不出來。
由此可知，穩定姿態應該至少有三種（大頭斜向，大頭朝向速度，小頭朝向速度），而不是只有小頭朝向速度。

但是，在實際應用中，我們的返回艙只有大頭朝向速度方向的，這是為什麼呢？
這是因為重心的位置不對，返回艙的質量並不是均勻分布的。我們的重心往往設置的更加偏向大頭方向，如圖所示：

只要這樣，大頭就會完全朝向速度方向。即使我在初始時，讓小頭近乎朝向速度方向，也會自動調整為大頭朝向速度。其實原理很簡單，就像不倒翁一樣，重心放低，自然就更容易趨於大頭朝下的穩定狀態，而不容易變成另外兩種狀態。當然，在實際工程中，我們往往無法把重心變得足夠低，地面上也經常有風乾擾。所以很多時候返回艙都是歪著落地的。。。。

採用鈍頭主要是為了散熱，實際上最早的導彈採取的是尖頭，但是實驗發現無論是什麼頭，形成的都是一個鈍頭的氣盾，這樣一來平頭接收的熱量可以均勻傳給後面，散熱比較好。氣盾和彈頭其實不是直接接觸的，中間隔了一定的距離，這個部分的氣溫只有1000多度，氣盾外面的溫度可以有3000多度。

飛船大頭在前，可以靠鍋底形成足夠大的氣盾，避免氣盾與飛船側壁接觸。但是這也有不利的方面，接觸面大之後，減速會變慢，延長再入時間，對散熱反而有害。我認為還考慮到需要高空作足夠的減速，保證低空開傘的需要。

至於飛船的穩定，其實和大頭小頭沒關係，和重心分布有關，只要重心靠下而且在中心就不會亂動。

而太空梭再入的原理和宇宙飛船完全不同，遠遠不是機腹朝下這麼簡單。

太空梭再入的時候走的是拋物線，機頭要抬起一點方便機腹正對氣盾，而由於飛機本身要比飛船扁的多，單位質量分配到的接觸面積就大，減速率非常高，接收到的總熱量也大。所以太空梭不光要抬頭，機身還要側過來，刻意減小減速率。

大致是這個姿勢。

機身側過來，受空氣阻力影響航線肯定要像一邊偏移，實際上這才是太空梭設計的本意。這個項目最早是NASA和空軍合作的，空軍需要全球打擊和探測能力，這就要求太空梭能夠去一些非常偏僻的軌道，而要從偏僻的軌道返回機場，還需要再機動回來很不經濟。最好的辦法就是讓飛機在上層大氣層就開始滑翔。

太空梭外形當初有2個方案，一個是正常飛機的樣子，只是機翼比較短，這樣只能在低空滑翔，另一個是現在的三角翼方案，在大氣層上層就可以滑翔，但是隔熱面積大大增加，也正是這點導致了哥倫比亞號的事故。無論美蘇，太空梭都向軍方需求妥協，所以必然都會出現這個問題。

原本的方案是採用這樣的翼型。

而太空梭保持姿勢的方法就和重心一點關係沒有了，太空梭除了主發動機，還有一堆姿態調整火箭，進入大氣層後就啟動，靠火箭的推力強制飛機保持在需要的姿勢上。進入低空後火箭關機，依靠飛機的襟翼（它沒有尾翼）改變飛行方向，比較接近B2這樣的飛翼轟炸機。

尖頭朝前，激波會貼近飛船表面，飛船容易燒毀，而且阻力越大熱量越大。

鈍頭朝前，激波會被推離飛船表面，空氣會把熱量帶走而不靠近飛船，而且阻力越大熱量越小。

這種結構是為了保證阻力更大、受熱更小，畢竟，再入大氣層最重要的是在不燒毀飛船的前提下把速度減下來。

我的理解是最基本的重量重力相互牽引群導致的現象

糾正一下：飛船著陸的姿態始終是大頭朝下的，而且飛船最後的側翻也不是因為重心分散什麼的，最主要的原因是因為著陸後切傘的時間。如果切傘過晚，在氣流影響下降落傘會把飛船拉倒，和跳傘是一個原理。

很簡單：你想快點掉下來還是慢點掉下來？還是掉下來直接砸到坑裡去？

不倒翁不就是這個造型嗎？重心越接近大底，越能維持這個姿態。

它的小頭端端粘有很多較細的長頭髮一樣東西起到了像飛鏢尾穗的作用，而不是單單依靠配重，後者成本太高了，這種長頭髮質量很小，卻可以在再入大氣的時候極好地節約用於姿態穩定的燃料。

看著大，說不定前後重量差不多

大頭的面可增大下降阻力，減緩回收艙的下降速度。至於怎麼平衡應該是計算出來的姿態，脫離軌道進行墜落前就先調整好了的。