第一章 概论

1.1 航天器进入、下降与着陆技术概述

航天器是指在地球大气层以外的宇宙空间，基本上按照天体力学的规律运行的各类飞行器。人造地球卫星、载人飞船、航天飞机和空间探测器都是航天器。执行完任务后要进入行星大气并在行星表面着陆的航天器，或者要进入行星大气并在行星表面着陆去执行任务的航天器称为进入式航天器。

航天器沿其运行轨道直接到达，或者离开它原来的运行轨道沿转变后的轨道到达它要着陆的天体的大气层，安全通过大气层并利用大气减速最终安全着陆在天体上的过程，称为航天器的进入（Entry）、下降（Descent）与着陆（Landing）过程，简称EDL过程。研究航天器进入、下降与着陆过程的学科称为航天器进入、下降与着陆技术（简称EDL技术），是一门综合性的技术学科。进入、下降与着陆过程的实现涉及相当广的技术领域，主要有航天器进入轨道设计、进入式航天器气动设计、防热设计、制导导航与控制技术、减速着陆技术等。

一般航天器均是从地球表面发射到太空轨道的。当它们完成其太空任务后，沿其运行轨道直接进入，或者离开它原来的运行轨道沿转变后的轨道再次进入地球大气层，并通过大气层利用大气减速，安全降落到地球上时，在地球上的人看来就是再次返回到地球上。因此，通常把进入地球大气层的过程称为返回过程，有时称为再入大气层。其实返回过程就是进入地球大气层的过程，也属于进入过程，它是进入、下降与着陆过程的一种特殊情况，是特指相对于地球来说的。

在本书中，讨论进入地球大气层过程时“进入”“返回”和“再入”三词通用，而讨论进入其他天体大气层的过程时只用“进入”一词。本书把具有进入某一天体大气层功能的航天器称为进入式航天器，进入部分称为进入器，而进入器中确保在行星表面安全着陆的部分称为着陆器。把再次具有进入地球大气层功能的整个航天器又称为返回式航天器，航天器中进入地球大气层的部分称为返回器或返回舱（如返回式卫星或载人飞船的返回舱、航天飞机的轨道器）。大多数返回式航天器的设计采取由返回器直接着陆，即返回器就是着陆器。

由航天活动而形成的、在某一天体作用范围内运行的人造航天器或太空垃圾，受天体的引力及大气阻力等作用，按航天动力学规律逐渐减速下降进入并通过该天体的大气层，最终硬着陆在天体上的进入过程，是天然的、无目的的和不受控制的进入过程，这种过程称为陨落。陨落的人造航天器或太空垃圾进入大气层后往往因受剧烈的气动力加热而烧毁、解体或变质。即使有的人造航天器或者它有一部分能顺利通过大气层，也必然以很高的速度硬着陆而损坏。这种陨落过程不在本书的讨论范围之内，本书所讨论的进入、下降与着陆过程是一种人为的、有目的的、受控的过程。

当航天器要从空间轨道上安全降落到没有大气层的天体上时，比如降落到月球上，由于天体上没有大气层，也就没有进入大气层、通过大气层和利用大气阻力减速等情况发生。因此，航天器要安全着陆，只有依靠它自身动力装置产生的反推力，把它的速度从轨道速度逐步减到安全着陆速度。这种过程称为动力减速着陆过程，或称为动力下降着陆过程，它与进入、下降与着陆过程有很大的不同。本书对这种动力减速着陆过程不作专门的讨论。

航天器进入、下降与着陆技术是研制进入式（包括返回式）航天器的关键技术，是空间技术的重要组成部分，同时也是空间技术重要的发展方向。以美国为例，NASA在空间技术路线图中将需要发展的空间技术分为14个领域，其中进入、下降与着陆技术就作为NASA空间技术的一个重要组成部分和重要的发展方向。

航天器的进入、下降与着陆技术是为了适应人类航天活动的实际需要而发展起来的。首先，人类为了探测或了解其他天体，通常会采用以下几种方式进行探测：从该天体的近旁飞过，进行近距离观察；或成为该天体的人造卫星进行长期观察；或在其表面着陆，进行实地考察；或取回样品。当要取回样品时，就需要能够安全到达取样的天体表面进行取样，并把样品带回地面的返回式航天器。如果探测的是一个有大气层的天体，如火星，则航天器抵达火星表面的过程就是一个进入、下降与着陆的过程，这类航天器就是进入式航天器。用来取回样品、送往其他天体或是进行实地考察的航天器，既可以是完全自动的，也可以是载人的航天器。如果是载人航天器，所载的人在完成任务之后，需要返回地面，这种载人航天器就是返回式航天器。未来要建立地外天体基地，向其索取资源或移居，则需要具备往返功能的载人航天器。其次，人类开展航天活动的另一个目的就是开发和利用太空资源。其中当需要利用太空环境进行试验并将试验样品等带回地面时需要利用返回式航天器。同时利用微重力资源制备高级材料、生产高效药物等，一般还需要人在空间现场参与研究、试验、生产和维护。人进入空间现场要用载人返回器。因此，可以说进一步开发利用空间资源，对于返回式航天器的需求将增加，进入、下降与着陆技术将发展更快。此外，随着陆航天技术的发展，为了降低成本，缩短研制和发射周期，进一步扩大航天活动的内容和规模，运载器和航天器多次重复使用技术的研究已越来越受到各国的重视。在航天技术中多次重复使用是指上天之后无损返回，返回之后再次上天，再次无损返回，多次上天多次无损返回多次使用。因此，多次重复使用的运载器和航天器必定是可多次返回的运载器和返回式航天器。由此可见，多次重复使用技术的发展，有赖于进入、下降与着陆技术的发展，也推动进入、下降与着陆技术的发展。