[科普中国]-再入姿态

简介

再入航天器以宇宙速度进入大气层将经受严酷的再入环境，为了完成它所承担的任务,必须具有一定的姿态。使航天器在再入大气层过程中既达到减速目的，又保证制动过载和气动加热不超过允许的限度1。

原理早期的航天器大多采用简单的自旋稳定。其原理是，在无外力矩作用时，自旋航天器的动力矩在空间的大小和方向守恒，实际上是惯性原理。它的精度不高。后来发展的三轴稳定技术是一种主动稳定，即依靠航天器三个相互垂直的轴分别对空间的特定参照系保持稳定。一旦偏离参照系，敏感机构、计算机构、执行机1勾会使三轴修正到原来的姿态。不同的航天器对姿态控制的要求有很大差异。某些科学探测卫星只求得空间或者大气物理参数时的时间、卫星的轨道位置和瞬时姿态，用以进行数据处理。这类航天器所需的姿态确定准确度为几度至十分之几度。通信卫星、对地观测卫星或哈勃望远镜一类的航天器，要求姿态确定度在十分之几度、姿态稳定度在每秒几角秒，甚至达到每秒10^(-3)角秒或更高。

分类根据航天器再入大气层返回地面的方式，分为以下几类：

弹道式再入姿态采用旋成体外形、大头朝前的返回器，这种返回器的压力中心位于质心之后，且在返回器的纵轴上。在再入地球稠密大气层的过程中，弹道式再入的返回器通过控制返回器绕纵轴（滚动轴）慢速旋转，来减小扰动力对返回器着陆点散布的影响；同时也对偏航轴和俯仰轴进行角速率阻尼，使返回器以接近零迎角、零升力状态在稠密大气层内运动。

半弹道式再入姿态半弹道式再入一般应用于采用旋成体外形大头朝前的返回器，这种返回器的质心沿速度方向在压力中心之前，但偏离纵轴一个小的距离。在再入地球稠密大气层过程中，在某一个迎角下，作用在返回器上的气动力矩为零，该迎角称为配平迎角。在以配平迎角飞行时，作用在返回器上的气动力既有阻力又有升力。在再入过程中，通过三轴角速率阻尼控制返回器的姿态，通过转动返回器改变升力的垂直分量和水平分量，从而能在一定范围内控制再入轨道，调整着陆点位置。

升力式再入姿态升阻比≥0.7的返回器在再入地球稠密大气层时产生升力并可控制升力大小和方向的再入。提高升阻比可以减小制动过载，降低热流峰值，增大再入角范围，加宽再入走廊，有利于再入过程。

跳跃式再入姿态航天器通过进入走廊以较小的再入角进入大气层后减速，依靠升力再次冲出大气层，此时航天器的速度已经降低到第一宇宙速度以下，做一段弹道式飞行后再次进入大气层；也可以多次出入大气层，每进入一次大气层就利用大气进行一次减速。

椭圆衰减式再入以接近第二宇宙速度返回到地球附近的航天器，假定没有地球大气层，则沿一条开普勒轨道运动。由于减速不多，航天器又会突出大气层，形成沿很大椭圆绕地球运行的轨道。过了一圈后，又进入大气层，并再减速一点，重新进入尺寸稍小、位置略变的椭圆轨道。由于穿出和飞入大气层的方向之间有偏差，因此，长轴转过了某一角度。原则上可以用很多这种“制动椭圆”来降低很大的初始再入速度。