第一章 引言

对于任何有效载荷再入行星大气的航天任务来说，大气再入都是一个重要的阶段。在再入过程中，飞行器从轨道速度逐渐过渡至安全的速度以便着落。对于像航天飞机这类的飞行器，最终的降落是采用像飞机着陆一样的方式来完成的。对于联盟号和阿波罗飞船，在最后的下降阶段是利用降落伞来减速的。无论何种情况下，飞行器经历极端的气动热载荷都将会显著地改变其设计需求。

外形是决定飞行器气动热力学特性的主要影响因素之一。因此，通过改变其形状，可以很好地改善飞行器的行为和性能。在航天飞行器的概念设计阶段，相对简单的模型会被用来生成一些概念设计，并在后续的设计阶段进行更加复杂和耗时的分析。然而，如果这种设计只是基于少数的飞行器概念，那么就有可能忽略更好的设计选择。在概念设计阶段，通过研究各种外形的可行性，基于更加完善和严谨的论证开展飞行器的外形设计，可以为之后的详细设计提供一个更棒的初步设计。

本书主要研究概念设计阶段的再入飞行器的外形优化，分析了在高超声速再入过程中飞行器的全部性能。然而，由于外形会影响飞行器很多方面的性能，必须确保外形对飞行器系统、性能或外部载荷等的约束不存在干涉。因此，本著作中所阐述方法的主要问题为：

考虑在载荷和外形布局约束的情况下，再入飞行器能够完成其任务的最优外形是什么样的。

为此，我们建立了一种全局多目标优化方法，并将这种方法应用于两种不同类型的再入飞行器的外形优化。首先，我们考虑一种低升阻比的类似胶囊形状的飞行器，如阿波罗飞船或大气再入演示器 (ARD)，一次性使用并以近似轨迹式再入的方式进入大气层。其次，我们将这种方法应用于一种更加复杂的有翼式飞行器，如航天飞机。有翼式飞行器通常在跑道上受控着陆，并可在之后的任务中重复使用。然而，这类更像飞机并具有重复使用的特性的飞行器则会牺牲额外的质量和复杂性。与较为简单的飞行器相比，这也常常使得它们在经济性方面难以自圆其说。因此，通过降低飞行任务成本和增加可能的任务收入来优化其外形，对于提高这类飞行器在发射和回收市场上的竞争力就显得至关重要。

在高超声速再入阶段之后，速度限制被定义为马赫数5，飞行器进入超声速/亚声速状态，此时的飞行特性与高速再入有很大的不同。然而，由于主要的设计需求通常是在具有非常高要求的高超声速阶段，因此我们的重点内容将集中在此阶段。此外，我们只考虑返回舱和有翼式飞行器从近地轨道 (LEO) 再入的情况。尽管如此，我们所提供的方法在很多情况下均易于修改，并可应用于一些其他的再入场景中。

在深入研究再入飞行力学和外形优化的技术细节之前，我们在1.1节和1.2节分别对过去在大气再入和外形优化方面的研究进行简要回顾。本章的1.3节将会对本书的内容做更加详细的概述。

有很多优秀的文献资料对大气再入的研究历程进行了较为全面的介绍。例如：Heppenheimer (2007) 探讨了高超声速飞行器的发展历程；Jenkins (2001)详细介绍了航天飞机及其前身的发展情况；Sziroczak和Smith (2016) 提供了高超声速飞行器设计问题的综述；Hirschel和Weiland (2009) 在他们所著的书中对飞行器外形和气动热力学性质之间的关系进行了全面描述。