独家揭秘猎户座再入大气层有多难？每一秒都是“刀尖上跳舞”！

美国宇航局“阿尔忒弥斯二号”任务的四名宇航员从月球背面返回地球，他们在周三举行的首次太空新闻发布会上，谈到了他们结束史无前例的飞行并准备以“火球”形式重返大气层时的感受。

计划将于美国东部时间周五晚上 8 点左右（格林尼治标准时间周六 00:00）返回地球，溅落在加利福尼亚州圣地亚哥海岸附近，结束他们近 10 天的任务。

那么会遇到哪些困难那？

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内容

任务的最后阶段也是最危险的阶段之一。截至周四晚间，NASA 预计飞船将于美国东部时间周五晚上 8 点 07 分左右溅落在加利福尼亚州圣地亚哥海岸附近。

这是任务中风险最高的阶段，“完整性号”（Artemis II 猎户座载人舱的名称）将面临一次关键的隔热罩测试空天论道。该隔热罩旨在保护宇航员在以近23,839 英里（38,365 公里）/小时的速度穿越地球大气层时免受伤害。它将承受高达 5,000 华氏度（2800℃）的高温，足以熔化钢铁。猎户座飞船的隔热罩将受到强烈的大气摩擦的考验。

猎户座飞船的乘员舱和服务舱将在溅落前约40分钟分离，并在“完整性”号飞船进入大气层上层界面（即约40万英尺高空）前约20分钟分离。届时，隔热罩将暴露出来，姿态控制推进器将启动，将其旋转到位。

在进入界面之前，“完整性”号的飞行速度将达到音速的30倍，足以在20分钟内从纽约市飞抵东京。其隔热罩外层涂覆了一层名为Avcoat的材料，这种材料会吸收高速飞行产生的极端热量，并逐渐碳化磨损。

阿波罗计划也使用了相同的材料，但猎户座飞船的大块Avcoat隔热材料与阿波罗飞船的蜂窝状结构截然不同空天论道。隔热罩由钛合金基底构成，表面覆盖着186块名为Avcoat的耐热材料。

▲这是阿尔忒弥斯二号飞船组装过程中的隔热罩。这个宽16.5英尺的隔热罩，每块厚度为1.5英寸（3.8厘米）。用于保护猎户座飞船及其宇航员免受飞船高速冲入大气层时产生的5000度高温的侵害。

△在 2022 年的一次无人试飞中，保护猎户座飞船的 16.5 英尺宽的隔热罩在重返大气层时严重受损

阿尔忒弥斯1号出现什么问题？

然而，在阿尔忒弥斯1号重返大气层时，隔热罩内滞留的气体在高温下膨胀，被困的气体导致隔热罩在100多处开裂，并甩出大块Avcoat材料。将Avcoat上覆盖的焦化碎片撕裂，降低了隔热罩的隔热性能。

在阿尔忒弥斯1号任务中，无人驾驶的太空舱按照预先设定的“跳跃式”轨迹飞行，其原理类似于在平静的水面上打水漂。

在最初短暂进入高层大气后，阿尔忒弥斯1号太空舱再次跳跃式返回，然后最终返回并溅落地球。

这种跳跃式再入方式有助于降低航天器的速度，同时为NASA提供更广泛的溅落选择，以防恶劣天气导致预定着陆点出现问题。

△2022 年阿尔忒弥斯一号返回地球后，其隔热罩部分区域遭受了与计算机建模不符的意外损坏，由此引发了长达数月的详细测试和分析。

尽管飞行后发现隔热罩受损，但阿尔忒弥斯1号重返大气层成功。返回舱按计划着陆，官员表示，如果当时有宇航员在舱内，他们也不会遇到任何问题。但此次损坏引发了NASA的警觉。

△再看一下阿尔忒弥斯一号的隔热罩，图中显示了发现严重损坏的区域。

测试表明，损坏与隔热罩的透气性有关，或者更确切地说，是其透气性不足。在最初相对较深的俯冲进入大气层后空天论道，构成隔热罩的Avcoat材料无法有效地散发在返回大气层过程中残留在其下层的热量。

进入大气层时的加热使Avcoat隔热罩的外层炭化层具有足够的渗透性，从而允许气体逸出。

阿尔忒弥斯1号的隔热罩在最初下降进入大气层时工作正常。但当它爬升回大气层时，再入加热减弱，外层炭化的渗透性大大降低。

底层材料仍然温度极高，正在经历一种称为热解的过程—即在无氧条件下燃烧—并产生无法逸出的气体。这些积聚的气体最终将隔热罩外层的大块材料吹走。

△阿尔忒弥斯一号隔热罩的特写照片显示，在 2022 年重返大气层时，外层的一部分被吹掉了。

NASA 管理人员根据测试数据和详尽的分析，决定按原样发射阿尔忒弥斯二号。分析表明空天论道，如果修改再入轨道以消除导致阿尔忒弥斯一号飞行后出现损坏的温度和压力波动，防护罩就能正常工作。

所以NASA修改了该任务中使用的“跳跃返回”重返大气层方案。

△无人驾驶的阿尔忒弥斯一号飞行采用了“跳跃式”再入轨迹，猎户座乘员舱先进入大气层，然后跳跃式上升，最后再下降。

取而代之的是，阿尔忒弥斯2号将采用“高空返回”轨道，以减轻隔热罩的压力。赫夫林分享了重返大气层关键部分的幻灯片。

阿尔忒弥斯2号再入轨道修改

工程师在实验室测试中证实，改进后的跳跃式进入轨道—即先进入高层大气，然后以较短的时间爬升返回—能够使Avcoat涂层在整个过程中保持“呼吸”状态，从而防止裂缝和气体滞留的形成。

这可能会对阿尔忒弥斯2号上的宇航员造成危险。因此，阿尔忒弥斯2号的猎户座飞船将以比原计划更陡的角度进入地球大气层，以减少在高速度和高温下穿过大气层的时间，并有望降低受损的可能性。

阿尔忒弥斯二号修改后的再入轨道带来的缺点是，猎户座飞船为了避开预定溅落区的恶劣天气空天论道，飞行距离会缩短。此外，下降过程中持续升温也会更高，但工程师表示，这正是维持外层炭化层透气性、确保良好性能所必需的。

重返大气层时的最大速度将为每秒34,965英尺（每秒10,657米），低于阿波罗10号宇航员在1969年创下的纪录（每秒36,397英尺或每秒11,094米）。

从进入大气层到溅落全程仅需13分钟，在此期间，宇航员在正常下降过程中将承受3.9g的重力加速度，并以“每小时20英里的平稳速度溅落”。亨弗林补充说，存在一些可能导致他们提前着陆的意外情况，并可能产生高达7-7.5g的重力加速度。

目前天气预报良好，风速约 10 节（5 米/秒），浪高不到 4 英尺（1.2 米），波浪周期为 17 秒。

一旦“猎户座”飞船落水，来自“默萨”号的潜水员将靠近飞船，评估其周围的空气和水质空天论道，以确保安全。

随后，医务人员将进入飞船对宇航员进行评估，之后宇航员将按顺序逐一被救出—科赫、格洛弗、汉森和怀斯曼—并被扶上一个名为“前廊”的充气筏。

之后，“猎户座”飞船将被拖走，以便直升机接走宇航员，并将他们送回船上接受进一步的体检。

“在‘阿尔忒弥斯1号’任务中，我们非常成功地回收了无人驾驶的‘猎户座’飞船。我们相信，通过与海军和其他合作方的测试和训练，‘阿尔忒弥斯2号’任务也将取得同样的成功。”

接着机组人员将返回圣地亚哥海军基地。根据具体的溅落地点，大约需要24小时。

那么你认为是否能顺利溅落那？