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布會上，談到了他們結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，結束他們近 10 天的任務。

那么會遇到哪些困難那？

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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，姿態控制推進器將啟動，將其旋轉到位。

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構截然不同空天論道。隔熱罩由鈦合金基底構成，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號出現什么問題？

然而，在阿爾忒彌斯1號重返大氣層時，隔熱罩內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問題。

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

盡管飛行后發現隔熱罩受損，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，他們也不會遇到任何問題。但此次損壞引發了NASA的警覺。

△再看一下阿爾忒彌斯一號的隔熱罩，圖中顯示了發現嚴重損壞的區域。

測試表明，損壞與隔熱罩的透氣性有關，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，構成隔熱罩的Avcoat材料無法有效地散發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，正在經歷一種稱為熱解的過程—即在無氧條件下燃燒—并產生無法逸出的氣體。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 管理人員根據測試數據和詳盡的分析，決定按原樣發射阿爾忒彌斯二號。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，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（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空天論道，以確保安全。

隨后，醫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？