新知丨航天器返回地面有哪些關鍵環節
隨着幾十年來航天技術的不斷提高，航天器被送到太空執行完任務之後、還能返回一部分到地面已經是司空見慣。
最早出於技術、成本等方面的考慮，像是東方紅一號這樣的衞星送上天就不再回來了。返回式衞星的誕生大致始於軍事偵察及國土普查用途，在航天科技的早期拍照技術遠不如現在，需要利用返回的底片沖洗照片，這就需要衞星或者僅有“回收桶”帶着底片返回地面。後來隨着各項技術進步，特別是數碼照相、數據傳輸等多個學科領域的發展，返回式衞星開始應用於需要回收實驗品的空間試驗室。特別是後來載人航天的發展，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行完任務回到我們的地球。我國的航天技術發展雖然起步稍晚，但早在1975年11月，我國發射並回收了第一顆返回式衞星FSW-1衞星，標誌着我國成為繼美蘇之後、世界上第三個掌握返回式衞星技術的國家。
FSW-1衞星下落（來源：springer，https://link.springer.com/content/pdf/10.1007%2F978-1-4614-5043-6_4.pdf）
正是因為航天器想要再返回地面十分困難，而且面臨着很多與發射時不同的特殊狀況，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、多環節提更高的要求、做更多的工作，所以成本就會大幅提高。所以相對航天發射這“萬里長征”，航天器重新進入大氣、返回地面的這“最後一步”，必須謹小慎微，一旦不慎就可能功虧一簣。非常著名的“哥倫比亞號”航天飛機失事，就發生在即將返回地面的最後一刻，7名航天員罹難，調查認為它的解體與隔熱材料受損有關，高温從左機翼融化了內部結構，釀成了悲劇。
哥倫比亞號航天飛機的解體慘劇被認為與隔熱材料受損有關，高温從左機翼融化了內部結構（來源：紐約時報，https://www.nytimes.com/2008/12/31/science/space/31NASA.html）
那麼，航天器最後的返回，有哪些常見的需要注意的方面呢？
脱離軌道時的飛行姿態、速度調整
如果是衞星、航天飛機等航天器，其返回就要脱離正在飛行的軌道，這對姿態調整和航天器制動的技術都有額外要求。即使是探月之類的長距離飛行，返回地球也先進入地球軌道，然後拋棄服務艙、指令艙等不需要的部分，讓登陸艙脱離軌道返回地面。
航天器脱離軌道時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：再入角一般在3-7度，如果角度太大，航天器降低高度時大氣密度變化很快，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的限度（10倍重力加速度），故而其再入角常常小於3度。
因此，航天器返回前需要先通過一系列的制動對其姿態、飛行方向作調整。航天器調整姿態找好推進的方向後，還需要保持姿態穩定，以確保制動推力方向的準確。通常這些調整、脱離軌道都是靠航天器攜帶的小型助推火箭來控制，火箭的點火時間、推力方向、推力大小與時間長短都會影響到再入速度和再入角的準確度，這就要求有靈敏而可靠的制動發動機。還有些設計方案是讓航天器降低高度進入大氣再抬高，利用大氣減速的同時調整下一次下降進入大氣的角度。
阿波羅飛船的再入角計算
（來源：https://www.aulis.com/images_re-entry/fig2.jpg）
進入大氣後的發熱應對
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温度以及受熱不均的問題，本就在控温方面做了很多工作，例如傳感器監測、隔熱罩、熱管、風冷迴路、電加熱控温等等。而在返回艙過程中遭遇的温度則是更加極端的。
航天器在大氣中經歷的絕不僅僅是摩擦發熱。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變得更快，航天器前面的空氣快速、極度壓縮，由於氣體的壓強、體積和温度等物理性質的關係，這種壓縮可以讓返回的航天器周圍（主要是前端）的空氣温度急速上升，其高温足以讓固體發光、發熱，我們熟悉的流星發生的就是這樣的過程。
根據計算，航天器在數百公里高、密度接近真空的高層大氣中，飛行速度為3倍聲速時前端温度超過300攝氏度，而當飛行速度為6倍聲速時約為1500攝氏度，而其從高空下降到達離地面60-70千米時往往還有20倍聲速，對應的温度可以高達上萬度，這必須採用措施來避免其燒燬。
首先延續剛才談到的姿態控制的一點，大氣的氣流千變萬化，會使高速返回的航天器難以保持固定的姿態，因此通常把返回艙做成不倒翁的形狀，下降時的前端又大又圓、而後端較小，可以有效把氣流集中在下降時的正面前端，我們在博物館看返回艙實物的時候常會注意到這一點。而頭部這樣一種鈍形的平面，能保證被壓縮的空氣產生的熱量主要集中於這個鈍形面，不容易影響到返回艙後面，就可以對這個鈍形面的隔熱多做文章，比如更結實的結構、更好的隔熱層、更多的燒蝕材料塗層等。通過這些技術，我們可以讓返回艙頭部的温度控制在可以承受的範圍（通常在1600開氏温度附近）。
通常，航天器會採用兩種應對高温的措施：燒蝕材料技術和隔熱瓦（絕緣材料）技術。
航天飛機表面的隔熱瓦（來源：Space Shuttle Endeavour atCalifornia Science Center，wiki圖片上傳於https://www.flickr.com/photos/skinnylawyer/8143982281/）
燒蝕技術是給航天器外邊的隔熱層塗上燒蝕材料，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，所以在温度升高時先發生氣化、吸收大量熱量，保證隔熱層內的温度不會太高。我們在博物館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，則應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、加熱的時候熱脹冷縮，剛好把航天器保護起來而不會造成擠壓、變形、脱落等問題。這些材料通常導熱係數小，能耐得住高温，還要在高温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
普通衞星在軌工作並不需要保持不間斷的監測和聯絡，很多衞星都是轉到頭頂才追蹤和聯絡，但返回式衞星在下降過程中必須更加頻繁的對衞星進行精確測量和全程跟蹤，並根據實測軌道參數對衞星的程序控制數據進行必要的控制和管理。這裏除了先進的實時通訊技術，還需要格外注意一個特殊的自然現象：黑障區。
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。但出於燃料等多種因素，在下降的初期，由於航天器的重力勢能與動能的交換，在高度降低的過程中其速度變化很小。
上一條我們説到返回艙前端壓縮的空氣達到了非常高的温度，實際上這樣的温度還會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，這種現象會對電磁波發生發射、折射、吸收等效應，使得無線電波的最大可使用頻率上升幾千兆赫（kMHz=GHz，如下圖縱座標），甚至更多，足以使航天器與地面控制之間的直接通信中斷，持續時間約12至13分鐘，雷達也無法發現目標航天器，這個區域就稱為“黑障區”（blackout），如上圖所示。返回的航天器的最大加熱發生在這個時間段內，高度約為70公里。
温度（橫座標）越高，能使用的信號（signals）所需要的頻率越高（來源：https://www.spaceacademy.net.au/spacelink/blackout.htm）
不過由於該區域空氣密度急劇增大，航天器下降速度也在急劇下降。隨着飛行器高度的下降，當速度降低到一定程度時（常在40-60公里高度），不再有足夠的温度使氣體分子電離，等離子體鞘就會解除，也即是黑障消失。黑障區的範圍取決於返回航天器的外形、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，也可以避免黑障現象。
落地速度的調整
如上條所述，雖然經過了制動和大氣阻力，但航天器下降到離地較近（10-20公里）時速度仍然非常大，為了儘快把速度降下來，通常還有配以降落傘（減速傘）。降落傘一來要能經得住航天器巨大的速度和質量，以免損壞、脱離，二來也要控制好打開的時間，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，還會提前磨損降落傘（摩擦、發熱）。返回的航天器多采用兩個甚至更多的降落傘，先用小降落傘適當減速，最後用大的主降落傘控制落地速度。
阿波羅11號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
最後還有回收工作。如果是航天飛機則可以在跑道降落，但大部分的返回艙只是落在指定範圍的區域，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信設備幫助回收人員找到的具體位置。
實踐十號回收（來源：新華網）
**來源：**中國科學院國家空間科學中心