2.7　航天器的回收

2.7.1　航天器回收方式

航天器的回收可以选择陆地降落（图2-15）、海面溅落（图2-16）和在空中直接钩取（图2-17）三种方式，因此有相应的陆上回收系统、海上回收系统和空中回收系统。

航天器经专门的减速装置减速后，以一定速度安全着陆，称为软着陆；未经专门减速，直接撞地着陆，称为硬着陆。回收系统是实现软着陆的有效手段，常称软着陆系统。按系统所采取的减速装置分为：降落伞着陆系统，降落伞-缓冲火箭着陆系统，降落伞-缓冲气囊着陆系统。

2.7.2　航天器回收系统

载人飞船、成像侦察卫星、生物卫星等返回型航天器返回舱再入大气层后，下降到20千米左右的高度时达到稳定下降速度的状态。如果不进一步采取减速措施，返回舱就会以相当大的速度（约150～300米/秒）冲向地面。

返回舱一般选用钝头再入体的气动外形，这类返回舱在亚声速区是不稳定的，表现出大幅度的摆动、旋转甚至翻滚。随着飞行高度的降低和速度的进一步减小，这种姿态的不稳定性越趋严重。载人飞船的这种不稳定性会使舱内的航天员头晕，引起黑视甚至晕厥。

回收系统就在这个临界时刻开始工作，展开气动力减速装置使返回舱在亚声速区保持姿态稳定，然后逐级展开气动力减速装置使返回舱有控制地进一步减速，直至以一定速度安全着陆。与此同时，回收系统不断发出信标信号和释放显迹标记，使地勤人员易于发现，及时找到等待回收的航天器。

载人飞船和返回式卫星等航天器所采用的回收系统基本是相同的，但对于载人飞船来说，要求回收系统有更高的可靠性和更小的着陆速度。载人飞船的回收系统包括

① 气动力减速分系统：航天器都用降落伞作为减速装置（图2-18），一般由二级降落伞组成气动力减速分系统。第一级为稳定伞，作用是保证返回舱在亚声速区的稳定性，并使返回舱初步减速，为开主伞创造条件；第二级为主伞（图2-19）。

② 着陆缓冲分系统：为保证返回舱结构的完整和航天员的安全，必须尽可能减小返回舱着陆冲击过载。常用的缓冲装置有缓冲火箭（图2-20）、缓冲气囊（图2-21）和其他缓冲结构。

③ 标位分系统：航天器返回时落点有一定的散布范围，所以在返回舱上装有多种标位装置，通过光、声、电波等多种途径帮助地勤人员及时标定返回舱的落点位置。

④ 控制与作动分系统：它的作用是控制和执行各种回收动作。

回收系统不仅有正常回收程序，而且备有应急回收程序。飞船回收程序不仅能自动控制，还可由航天员直接手动控制。

2.7.3　航天器回收区和着陆场

航天器回收区通常分为陆上回收区和海上回收区两种。陆上回收区根据航天器运行轨道特点，必须具备四个条件：一是航天器必须从这个地区上空多圈次通过；二是场地要开阔；三是地势要平缓，地表要足够坚硬；四是天气状况要好。海上回收区选在海况较好、附近岛屿设有测控站的海域。

在载人航天飞行中，为了确保航天员和航天器安全顺利返回地面，要在回收区建设相应的着陆场。世界各航天大国根据各自的国情和载人航天工程的特点，建设适合本国载人航天返回的着陆场。

苏联/俄罗斯载人航天主着陆场设在拜科努尔发射场东北部的草原上，这里东西绵延数千千米、人烟稀少，自然条件适宜飞船回收。

美国的肯尼迪航天中心主着陆场位于佛罗里达州卡纳维拉尔角，创建于1949年，当时创建的目的是发射试验远程导弹。美国爱德华兹空军基地位于洛杉矶东北部沙漠中，是一个综合性航空基地；由于位于沙漠中，气候干燥少雨，因此它被选作航天飞机着陆第一后备机场。

我国“神舟”飞船的主着陆场在内蒙古中部四王子旗。这里海拔1000～1200米，地势平坦开阔、人烟稀少，适宜飞船着陆回收。

2.7.4　航天器在再入大气层中烧毁

自从第一颗人造地球卫星发射上天后，人类已经发射了近万颗航天器，其中约有90%都是人造卫星，这些航天器大部分分布在距离地表300～1000千米的近地轨道上。在它们完成工作任务、寿命到期后，就会在万有引力的作用下不断脱离原本运行的轨道，成为太空垃圾（图2-22），它们因轨道衰减而逐渐向地球靠拢，最终在进入大气层的过程中焚毁殆尽（图2-23）。

有人担心坠入大气层的航天器会对人产生伤害，但这一担心完全是多余的。事实上，从20世纪60年代到现在，共计约有15000吨以上的航天器残骸坠落回地球，但从未伤害到人口密集地区的居民。如约20吨的苏联“礼炮”系列空间站、约77吨的美国“天空实验室”空间站、约140吨的苏联“和平号”空间站、约8吨的我国“天宫”一号空间站，在完成任务后都最终在再入大气层过程中烧毁，都没有对人类造成危害。

航天器从进入大气层到最终解体分为三个阶段：大型设备分离解体、航天器解体、碎片烧尽。结合地面测控系统和对进入大气层航天器参数的了解，可以对这些重返地球的航天器的轨道进行粗略预估从而达到掌控的目的。

（1）大型设备分离解体

通常认为大气层的高度为距离地球表面100千米左右，当坠落的航天器降到这一高度时，安装在航天器外部的太阳能电池板、大型天线等设备就会开始被密度逐渐增加的大气所阻隔撕扯。在强大的阻力作用下，这些大的部件会从航天器的主体结构上不断脱落。不过，这些部件绝大部分最终都不会落到地面，而是在大气层中被烧蚀掉。

（2）航天器解体

随着坠落航天器高度的进一步降低，在到达距地面约80千米的高空时，剩余的航天器受到气动摩擦的作用会越来越明显，气动加热非常严重，在高温和大气阻力的双重作用下，航天器的主体将会发生严重的解体，内外部设备将会分离，解体后的碎片会在坠落的过程中被持续地烧蚀加热。如果航天器在经历这一阶段的过程中依然携带有剩余的燃料，那么由此引发的爆炸将会进一步加快航天器的解体和燃烧的速度。

（3）碎片烧尽

解体后的航天器碎片继续下落，它们继续受到气动热和气动力的双重作用而不断燃烧熔化，其中绝大部分都会在到达地表之前烧毁殆尽，不会对人类产生影响（图2-24）。只有极少量的碎片最终会落在地面上：一是少量难以被烧蚀掉的部件；二是一些质量较小的碎片。它们在烧尽前就已经将速度降到很低，最终飘落到地面。

2.7.5　返回式航天器的热防护

返回式航天器再入大气层时与大气的相对速度很大，由于气动摩擦和空气压缩等，气动加热非常严重，飞行器的表面温度急剧增高，甚至远远高于人员和设备所能承受的温度。

当航天器从空间再入大气层时，速度非常快，温度也非常高，最高可达几千摄氏度。图2-25为美国“阿波罗”载人飞船指挥舱的表面温度分布，它的头部温度高达2800℃。由于载人飞船再入大气层经历的时间很短，只有一分多钟，因此加热的时间也很短，常采用烧蚀法来进行防热。

所谓烧蚀法就是选择一些产生相变时吸热量大的材料作为烧蚀材料，把它覆盖在飞行器表面来防止飞行器被烧毁的一种方法。烧蚀材料可以选用石墨和陶瓷等，它们在高温下发生热解和相变（固→液、固→气、液→气）时能够吸收大量的热，边烧蚀边带走热量。在烧蚀过程中产生的气体包围着物体也能起到一定的隔热作用。但是烧蚀法中的烧蚀防护层用一次就烧掉了，对于不重复使用的飞船、卫星等可以采用，但对于重复使用的高超声速飞机以及航天飞机等，需要严格控制飞机外形，此时烧蚀法就不再适用了。

美国航天飞机是飞行于近地轨道和地面之间的可重复使用的运输工具。航天飞机的气动加热效应在再入段比上升段要严重得多，但与飞船相比，其热量要低得多。这是因为航天飞机有大面积的机翼，并以大迎角再入时能产生较大的阻力，因此在比较高的空中就开始减速，这样大大减小了气动加热效应。航天飞机表面的温度分布如图2-26所示，根据表面温度的不同，可以分成四个区域，不同的区域可以采用相应的可以重复使用的防热材料（图2-27）。如机身头部和机翼前缘，温度最高，可采用增强碳-碳复合材料（RCC），其可重复使用的温度达1593℃；机身、机翼下表面前部和垂直尾翼前缘，温度较高，可采用高温重复使用的防热-隔热陶瓷瓦（HRSI）；机身、机翼上表面和垂直尾翼，气动加热效应不是特别严重，可采用低温重复使用的防热-隔热陶瓷瓦（LRSI）；机身中后部两侧和有效载荷舱门处，温度相对较低（约350℃），可采用柔性的、重复使用的表面隔热材料（FRSI）。为了有效地解决防热问题，对于温度最高的区域还要采取其他的措施，如采用热管冷却、强制循环冷却和发汗冷却等措施，以确保航天飞机的安全。