穿越大气层:真用“跳跃式”轨道?

猎户座飞船会减速进入地球轨道,然后再减速返回地球吗?答案是否定的,它直接瞄准了美国西海岸的加利福尼亚瓜达卢佩岛附近的巴哈海岸外溅落,冲入大气层的速度为40233千米/小时(约合:11.176千米/秒)。

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再入轨迹与溅落区域

位于地球静止轨道上的跟踪和数据中继卫星 (TDRS)将为这次返回提供轨迹修正燃烧、航天器分离、重返地球大气层和溅落的通信。在服务舱与飞船分离前不久,通信将从NASA的深空网络切换到其近空网络,由该卫星完成中继通信服务。

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猎户座飞船在南太平洋东部进入大气层,以一条弹道的轨迹下降到距离地面约60千米,平坦底部的猎户座飞船以一个微弱的迎角在高速大气的作用下冲向将其托起,并继续上升到约90千米的顶点后再以抛物线方式降落。

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这个方式可以降低飞船在大气层中的减速过载,另一个也可以降低防热大底的绝热要求,在月球以及行星探测器的返回上,这种方式是比较合适的,如果不采用这种方式,要么弹道返回过载太大,宇航员难以忍受,要么需要减速进入地球轨道后再返回,会需要搭载额外的燃料。

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猎户座飞船返回:真抄了中国的嫦娥五号探测器返回方式?

大家对猎户座飞船再入大气层方式怎么看怎么熟悉,事实上我国嫦娥五号采样返回的测试飞行器“小飞”和嫦娥五号再入返回舱用的就是这种“跳跃式”再入,原因也很简单,不但省时间还节省燃料,只是控制要求相当高,对飞行器在大气层中的再入角度尤其高!

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2020年12月17日,嫦娥五号到达轨返分离点时, 轨道器与返回器分离,轨道器完成规避机动,返回器惯性飞行,准备再入大气层:

1时33分,嫦娥五号返回器在距地面高度约120千米处,以接近第二宇宙速度在南大西洋上空高速进入地球大气层,实施初次气动减速。

下降至预定高度后,返回器向上跃出大气层,到达最高点后开始滑行下降。之后,返回器再次进入大气层,实施二次气动减速。

在降至距地面约10千米高度时,返回器打开降落伞完成最后减速,1时59分,嫦娥五号返回器在内蒙古四子王旗预定区域成功着陆,任务完成

这种方式很像打水漂,因此在国内有很多朋友都将其称为“水漂弹道”,所以问题来了,猎户座飞船的返回轨迹跟嫦娥五号一样一样,真抄了嫦娥五号的返回方式?答案是否定的,因为这种技术并不是嫦娥五号首创,而是在航天史上早就有应用!

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这种返回方式有一个俗称叫做“‘Skip’ Reentry”,这个英文说法挺形象“跳跃再入”,专业的名词叫做“Non-ballistic atmospheric entry”,中文翻译为:非弹道大气层再入,高层大气中采用空气动力升力来遵循非弹道轨迹,包括跳跃和滑翔等飞行轨迹。

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这个理论最早诞生于二战时期,曾让V-2导弹的射程从275千米翻倍至约550千米,不过在再入返回飞行器上的第一次应用是前苏联月球探测器Zond 5的再入返回,这个探测器将两只乌龟、果蝇卵和植物带到了月球轨道附近并返回。

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前苏联月球探测器Zond 5

1968年9月14日世界标准时间 9:42.10从拜科努尔航天发射场的Site 81发射升空,9月21日再入地球大气层,原计划着陆点在哈萨克斯坦,但它溅落在了印度洋(前苏联在印度洋部署了8艘舰船,这里应为备用着陆点),其再入轨迹剖面大致应用了“跳跃再入”方式,这是这种方式的第一次再入应用。

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后来的阿波罗登月计划中的返回飞船也采用了类似的概念,但却不是真正的“跳跃再入”,因为飞船并没有一个跃起“离开”大气层再入的概念,NASA将其称之为"Lifting Entry"(提升进入),因此对于阿波罗飞船是否用了“‘Skip’ Reentry”是一个争议。

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阿波罗飞船返回轨迹:有两次高度爬升,但未跃出大气层

之后这种方式就被嫦娥 5-T1飞行器采用了(小飞),这是2014年10月24日02时00分04.829秒从西昌卫星发射中心由长征三号丙改进二型运载火箭(遥12)发射升空,3天后抵达月球并返回,11月1日服务舱和返回飞行器分离再入大气层,以“‘Skip’ Reentry”的方式着陆于四子王旗红格尔苏木活福滩乡境内。

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从“‘Skip’ Reentry”的发展轨迹来看,前苏联的Zond 5是第一次应用,但当年非常粗糙,阿波罗计划打算用,但动作有些“变形”,完美使用则是中国的嫦娥T1飞行器,还有后来的嫦娥五号再入飞行器,目前的猎户座飞船确实是在嫦娥系列之后使用的,不过“‘Skip’ Reentry”概念早就有之,所以猎户座飞船返回用“‘Skip’ Reentry”也没有所谓的问题哈。

在第15个任务日,阿尔忒弥斯1号任务管理团队一致决定,猎户座飞船可以离开待了5天的月球远逆行轨道(DRO),将在2日凌晨6点53分点火,进入返回地球的轨道。

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就在今天,猎户座飞船还利用欧洲服务模块上的6个辅助推进器,按计划执行了一次时长95秒的电话,以维持轨道。

这次点火之前,猎户座飞船剩余推进剂909公斤(2004磅),已经消耗2577公斤(5681磅),比事先预计的节省了92公斤(203磅)。

截至12月1日7点,猎户座飞船距离地球还有40.7万公里(253079英里),距离月球8.2万公里(50901英里),飞行速度约3302公里/小时(2052英里/小时)。

按照计划,猎户座飞船将在12月11日返回地球,溅落在太平洋上。

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神舟系列飞船和 NASA 的猎户座飞船有哪些差距?

猎户座是NASA 21世纪后立项,至今还处于研制阶段的飞船(还没有进行载人飞行),起码比神舟先进30年,这30年来技术发展的程度有目共睹。

所以说,两者不具有可比性,保守的说差一代。要比也是中国新一代的载人飞船和猎户座相比啊。

乐观起见,中国10年内新的飞船就会服役,很有可能参与到载人登月项目(中国现在还没有正式的载人登月计划,2025年之前基本不太可能)。2020年在实现无人登月绕、落、回三步之后,下一步的计划应该是空间站,所以对新飞船的需求不大,很有可能会影响到新飞船的研发进度。所以新飞船10年后服役是一个很乐观的估计。

神舟是上世纪90年代的设计。比不过今天的龙2没什么稀奇。中国真正应该对标龙2的,不是神舟,而是在去年5月5日发射的“新一代载人飞船”。说来有趣,前不久发射天和核心舱升空的长征五B运载火箭,首次试验飞行,就是把新一代载人飞船送上太空。而发射天和则是长五B的第二次飞行任务。

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2020年5月5日长征五B发射新一代载人飞船任务

新一代载人飞船采用两舱结构,分成返回舱和服务舱。返回舱就是宇航员居住的地方,服务舱提供动力和能源。为什么没有轨道舱了呢?当初研发神舟飞船的时候,中国还没有空间站,需要有个轨道舱,做点实验什么的。现在空间站有了,也就不再需要轨道舱了。同时可以把返回舱做大点,从而有更多的空间装人或者货物。

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新一代载人飞船示意图

实际上,中国新一代载人飞船也是可复用的。按照设计要求,应该能复用十次,从而降低使用成本。不仅如此,新一代载人飞船能搭载最多7人,但通常6人进入太空,比龙2的实际上4人要多。当然,新一代载人飞船的体积和重量也是很大的,比龙2飞船大得多。

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各国飞船比较

严格来说,龙2飞船和星际航班都是近地空间使用的飞船,不能用于深空飞行。所谓的深空飞行,指的是飞船要离开地球附近,比如去月球或者火星。由于要离开地球磁场保护,需要有防宇宙射线设计,也需要考虑返回地球时更高的再入速度,因而要有更好的耐热性能。

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在地球降落的新一代载人飞船

新一代载人飞船有两个版本,分别是14吨重的近地版本,和21.6吨重的深空版本。近地版本可以与龙2、星际航班对标,而深空版本对标的是美国正在开发中的猎户座飞船。猎户座飞船重25吨多点,能把2-6名宇航员送到月球轨道。如果一切顺利,美国今年将发射SLS运载火箭,做无人环月飞行。这也是美国重返月球的阿尔忒弥斯计划的首次飞行。猎户座飞船将第一次得到使用。

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月球附近的猎户座飞船想象图

如同猎户座飞船一样,新一代载人飞船的深空版本将用于登月。目前中国载人登月还没有正式的时间表,估计在二十年代末或者三十年代初。

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中国新一代载人飞船

现在还不知道中国新一代载人飞船何时投入使用,已知的2022年完成空间站建设的四次载人发射,用的还是神舟。但不管怎么说,中国在飞船技术方面,与美国基本上是并驾齐驱的。

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