獨家揭秘獵戶座再入大氣層有多難？每一秒都是“刀尖上跳舞”！

美國宇航局“阿爾忒彌斯二號”任務的四名宇航員從月球背面返回地球，他們在周三舉行的首次太空新聞發(fā)布會上，談到了他們結(jié)束史無前例的飛行并準備以“火球”形式重返大氣層時的感受。

計劃將于美國東部時間周五晚上 8 點左右（格林尼治標準時間周六 00:00）返回地球，濺落在加利福尼亞州圣地亞哥海岸附近，結(jié)束他們近 10 天的任務。

那么會遇到哪些困難那？

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內(nèi)容

任務的最后階段也是最危險的階段之一。截至周四晚間，NASA 預計飛船將于美國東部時間周五晚上 8 點 07 分左右濺落在加利福尼亞州圣地亞哥海岸附近。

這是任務中風險最高的階段，“完整性號”（Artemis II 獵戶座載人艙的名稱）將面臨一次關(guān)鍵的隔熱罩測試空天論道。該隔熱罩旨在保護宇航員在以近23,839 英里（38,365 公里）/小時的速度穿越地球大氣層時免受傷害。它將承受高達 5,000 華氏度（2800℃）的高溫，足以熔化鋼鐵。獵戶座飛船的隔熱罩將受到強烈的大氣摩擦的考驗。

獵戶座飛船的乘員艙和服務艙將在濺落前約40分鐘分離，并在“完整性”號飛船進入大氣層上層界面（即約40萬英尺高空）前約20分鐘分離。屆時，隔熱罩將暴露出來，姿態(tài)控制推進器將啟動，將其旋轉(zhuǎn)到位。

在進入界面之前，“完整性”號的飛行速度將達到音速的30倍，足以在20分鐘內(nèi)從紐約市飛抵東京。其隔熱罩外層涂覆了一層名為Avcoat的材料，這種材料會吸收高速飛行產(chǎn)生的極端熱量，并逐漸碳化磨損。

阿波羅計劃也使用了相同的材料，但獵戶座飛船的大塊Avcoat隔熱材料與阿波羅飛船的蜂窩狀結(jié)構(gòu)截然不同空天論道。隔熱罩由鈦合金基底構(gòu)成，表面覆蓋著186塊名為Avcoat的耐熱材料。

▲這是阿爾忒彌斯二號飛船組裝過程中的隔熱罩。這個寬16.5英尺的隔熱罩，每塊厚度為1.5英寸（3.8厘米）。用于保護獵戶座飛船及其宇航員免受飛船高速沖入大氣層時產(chǎn)生的5000度高溫的侵害。

△在 2022 年的一次無人試飛中，保護獵戶座飛船的 16.5 英尺寬的隔熱罩在重返大氣層時嚴重受損

阿爾忒彌斯1號出現(xiàn)什么問題？

然而，在阿爾忒彌斯1號重返大氣層時，隔熱罩內(nèi)滯留的氣體在高溫下膨脹，被困的氣體導致隔熱罩在100多處開裂，并甩出大塊Avcoat材料。將Avcoat上覆蓋的焦化碎片撕裂，降低了隔熱罩的隔熱性能。

在阿爾忒彌斯1號任務中，無人駕駛的太空艙按照預先設(shè)定的“跳躍式”軌跡飛行，其原理類似于在平靜的水面上打水漂。

在最初短暫進入高層大氣后，阿爾忒彌斯1號太空艙再次跳躍式返回，然后最終返回并濺落地球。

這種跳躍式再入方式有助于降低航天器的速度，同時為NASA提供更廣泛的濺落選擇，以防惡劣天氣導致預定著陸點出現(xiàn)問題。

△2022 年阿爾忒彌斯一號返回地球后，其隔熱罩部分區(qū)域遭受了與計算機建模不符的意外損壞，由此引發(fā)了長達數(shù)月的詳細測試和分析。

盡管飛行后發(fā)現(xiàn)隔熱罩受損，但阿爾忒彌斯1號重返大氣層成功。返回艙按計劃著陸，官員表示，如果當時有宇航員在艙內(nèi)，他們也不會遇到任何問題。但此次損壞引發(fā)了NASA的警覺。

△再看一下阿爾忒彌斯一號的隔熱罩，圖中顯示了發(fā)現(xiàn)嚴重損壞的區(qū)域。

測試表明，損壞與隔熱罩的透氣性有關(guān)，或者更確切地說，是其透氣性不足。在最初相對較深的俯沖進入大氣層后空天論道，構(gòu)成隔熱罩的Avcoat材料無法有效地散發(fā)在返回大氣層過程中殘留在其下層的熱量。

進入大氣層時的加熱使Avcoat隔熱罩的外層炭化層具有足夠的滲透性，從而允許氣體逸出。

阿爾忒彌斯1號的隔熱罩在最初下降進入大氣層時工作正常。但當它爬升回大氣層時，再入加熱減弱，外層炭化的滲透性大大降低。

底層材料仍然溫度極高，正在經(jīng)歷一種稱為熱解的過程—即在無氧條件下燃燒—并產(chǎn)生無法逸出的氣體。這些積聚的氣體最終將隔熱罩外層的大塊材料吹走。

△阿爾忒彌斯一號隔熱罩的特寫照片顯示，在 2022 年重返大氣層時，外層的一部分被吹掉了。

NASA 管理人員根據(jù)測試數(shù)據(jù)和詳盡的分析，決定按原樣發(fā)射阿爾忒彌斯二號。分析表明空天論道，如果修改再入軌道以消除導致阿爾忒彌斯一號飛行后出現(xiàn)損壞的溫度和壓力波動，防護罩就能正常工作。

所以NASA修改了該任務中使用的“跳躍返回”重返大氣層方案。

△無人駕駛的阿爾忒彌斯一號飛行采用了“跳躍式”再入軌跡，獵戶座乘員艙先進入大氣層，然后跳躍式上升，最后再下降。

取而代之的是，阿爾忒彌斯2號將采用“高空返回”軌道，以減輕隔熱罩的壓力。赫夫林分享了重返大氣層關(guān)鍵部分的幻燈片。

阿爾忒彌斯2號再入軌道修改

工程師在實驗室測試中證實，改進后的跳躍式進入軌道—即先進入高層大氣，然后以較短的時間爬升返回—能夠使Avcoat涂層在整個過程中保持“呼吸”狀態(tài)，從而防止裂縫和氣體滯留的形成。

這可能會對阿爾忒彌斯2號上的宇航員造成危險。因此，阿爾忒彌斯2號的獵戶座飛船將以比原計劃更陡的角度進入地球大氣層，以減少在高速度和高溫下穿過大氣層的時間，并有望降低受損的可能性。

阿爾忒彌斯二號修改后的再入軌道帶來的缺點是，獵戶座飛船為了避開預定濺落區(qū)的惡劣天氣空天論道，飛行距離會縮短。此外，下降過程中持續(xù)升溫也會更高，但工程師表示，這正是維持外層炭化層透氣性、確保良好性能所必需的。

重返大氣層時的最大速度將為每秒34,965英尺（每秒10,657米），低于阿波羅10號宇航員在1969年創(chuàng)下的紀錄（每秒36,397英尺或每秒11,094米）。

從進入大氣層到濺落全程僅需13分鐘，在此期間，宇航員在正常下降過程中將承受3.9g的重力加速度，并以“每小時20英里的平穩(wěn)速度濺落”。亨弗林補充說，存在一些可能導致他們提前著陸的意外情況，并可能產(chǎn)生高達7-7.5g的重力加速度。

目前天氣預報良好，風速約 10 節(jié)（5 米/秒），浪高不到 4 英尺（1.2 米），波浪周期為 17 秒。

一旦“獵戶座”飛船落水，來自“默薩”號的潛水員將靠近飛船，評估其周圍的空氣和水質(zhì)空天論道，以確保安全。

隨后，醫(yī)務人員將進入飛船對宇航員進行評估，之后宇航員將按順序逐一被救出—科赫、格洛弗、漢森和懷斯曼—并被扶上一個名為“前廊”的充氣筏。

之后，“獵戶座”飛船將被拖走，以便直升機接走宇航員，并將他們送回船上接受進一步的體檢。

“在‘阿爾忒彌斯1號’任務中，我們非常成功地回收了無人駕駛的‘獵戶座’飛船。我們相信，通過與海軍和其他合作方的測試和訓練，‘阿爾忒彌斯2號’任務也將取得同樣的成功。”

接著機組人員將返回圣地亞哥海軍基地。根據(jù)具體的濺落地點，大約需要24小時。

那么你認為是否能順利濺落那？