1.1 再入任务

本节中，我们将简要概述 (非详尽) 再入领域的一些关键的发展历史，从航天工程的起源开始，也涵盖了当前该领域正在进行的项目和未来具有前景的项目。

1.1.1 20世纪的再入

尽管早期有很多研究人员已经对空气动力学的流动现象进行了相关的研究，其中包括Mach (马赫) 和Reynolds (雷诺兹)，但直到1903年年初，重于空气的飞行方才实现，并且航天工程学科作为一门实践科学得以诞生。20世纪初，Goddard (戈达德)、Oberth (奥伯特) 和Thiolkovsky (奇奥尔科夫斯基) 等先驱者们也开始研究火箭和航天飞行。随着这些研究的出现和建设性的努力，超声速和高超声速空气动力学成为人们感兴趣的话题。

高超声速飞行的第一个概念是在20世纪30年代出现的，当时奥地利工程师Eugen Sanger (欧根·桑格尔) 和他的德国数学家妻子Irene Bredt (艾琳·布雷特) 提出了一种从德国打击美国的高超声速轰炸机 (Sanger和Bredt, 1944)。这个名为银鸟的高超声速轰炸机使用火箭进行加速，在释放掉有效载荷之后，会以一种跳跃再入的方式来拓展它的航程并降落在地球的另一边——日本。尽管该轰炸机从未投产，但是Sanger和Bredt在滑翔和跳跃再入等方面的突破性的研究对后续的飞行器及任务来说是非常重要的。

第二次世界大战期间，德国V-2火箭的出现推动了高超声速飞行器的研究。为了支持这种火箭的发展，使用了两台以马赫数4.4运行的风洞。尽管按照典型的马赫数5的定义未达到高超声速，但对这种飞行器的研究仍然遇到了在高速状态下的大量的工程挑战，如可控性和稳定性问题。第二次世界大战后，被缴获的V-2火箭成了美国的火箭项目研究中的重要工具。

第二次世界大战后，美国工程师John Becker (约翰·贝克尔) 建议建造一座马赫数7的风洞，以用来研究高超声速流动。这座风洞于1947年首次投入使用，它拥有一个11英寸 (约27.94 cm) 的方形测试区域，这座风洞在如X-15等飞行器的研发方面发挥了重要作用。事实上，在一段时期内，这座风洞也是美国唯一一座能够模拟高超声速条件的测试设备。

随着原子弹和V-2导弹的发明，洲际轨迹导弹 (ICBM) 的想法也随之产生，这就有必要进一步研究高速和高空的流动现象。洲际轨迹导弹以马赫数20的速度再入大气层，因此气动加热就成了一个关键的设计问题。在Allen和Eggers Jr (1958) 的一篇文章中提出应当最大限度地提高前缘半径来减小热流，这也推动了后来所有再入飞行器的设计。

当时的工程师们只有较少的方法来解决极端加热的情况。例如，可以使用热沉，大部分再入飞行器的热量将会被储存在一些具有高吸热能力的材料中。此外，也可以使用辐射冷却，具有高发射率的高温表面将会把热量辐射回环境中。但是，由于过度的气动热载荷，这些方法在高速再入情况下很难适用。热沉只能够吸收一定的热量，并且需要的大小尺寸无法满足这种再入飞行器系统。关于辐射冷却，在给定的热流 (假设热平衡) 下，飞行器表面的冷却温度存在一定的限制，这对于整个飞行器来说是远远不够的。

应对再入时巨大热流的一种重要方法是热烧蚀。当使用热烧蚀防热罩的时候，再入的热量被热防护系统 (TPS) 吸收，并引起这种热防护系统表面从固态到气态 (或液态) 的相变。尽管这种系统是不可重复使用的，但在其他方法无法适用的高温环境中，它具备能够应对非常高加热速率的能力，也给设计师们提供了重要的设计选择。这种情况下的一个典型的例子就是木星的再入探测器伽利略号，其热防护系统占了大约一半的再入质量。

高超声速飞行器发展的一个里程碑是X-15，见图1.1 (a)，它是由北美公司制造的一种实验型的火箭飞机。这架研究型飞机的目标是收集高速、高空及高温结构下的飞行数据，并积累飞行经验。其热控使用一种由Inconel X合金制成的热沉概念，并喷涂烧蚀材料。X-15使用了气动面和反作用控制推进器，用于姿态控制，因为在较高的飞行高度下大气密度太低，无法只使用气动面进行控制。它的飞行速度接近马赫数7，高度超过了100 km。尽管它代表了巨大的进步，但X-15不能算作是真正的再入飞行器，因为它没有获得足够的速度来使它到达轨道并实现在轨运行。

在此期间也开始出现了一些所谓的太空飞机的概念，这些太空飞机能够多次重复使用，在不需要较大检修的情况下便能够将货物和人员运送至轨道并返回。在“空天飞机”这一名义下，一系列能够代表这种飞行器设计挑战的相关研究相继开始。然而，这一期间出现的概念往往依赖未经证实的高超声速吸气式推进。在燃料消耗方面，这将优于火箭的性能，但这些概念在技术上和经济上都有较高的时间要求。比其他概念更进一步发展的是X-20飞行器 (或者叫DynaSoar)，如图1.1 (b) 所示，它是为美国空军生产的一种小型飞行器。X-20安装在火箭的顶端，用来发射并滑翔返回地球，这与后来的航天飞机一样。不幸的是，这个项目在刚开始生产时就被取消了，因为对于它有限制的飞行任务类型来说，其费用太昂贵了，并且作为一种研究型飞行器，它的优点还不足以支持项目完成。然而，它的发展确实提供了宝贵的数据，这些数据被用于后来航天飞机的设计中。

尽管有大量的概念被提出，在空间时代最初的几年中，高超声速飞行和滑翔再入技术并没有像预测的那样发展迅速。不过，采用类似轨迹式和低升阻比再入的返回舱的飞行器成功实现了从太空返回。人类首次成功从太空返回发生在1961年，是Yuri Gagarin (尤里·加加林) 乘坐东方一号飞船完成首次载人空间飞行之后成功返回。不久之后，美国也随之完成了这一任务，是由John Glenn (约翰·格伦)驾驶的水星-宇宙神6号飞行器。水星计划之后是双子星计划，该计划中的返回舱使用了非零升阻比来降低宇航员经受的引力过载 (详见第2.2.3节)。由于对飞行条件有影响，这一比例系数的确定对正确计算着陆点也是至关重要的，而这也证明仅用风洞模型是很难确定的。双子星计划之后是阿波罗计划，阿波罗号从月球返回后成功实现了大气再入。由于再入的速度明显更高，这也导致飞行器上的力和热载荷比以往的地球-轨道返回任务的更大。图1.2展示了20世纪60年代的再入返回舱。

所有执行第一次载人航天任务的飞行器都采用了 (近似) 轨迹式再入方式，而不是之前讨论的升力式再入方式。尽管轨迹式再入飞行器是不 (或者不完全)可重复使用的，但这类飞行器更容易设计，而且因为不需要考虑升力部件的结构需求，所以通常具有更高的有效载荷质量/飞行器干质量的比值。

除了滑翔式再入和轨迹式再入外，还有第三种再入方式，被称为跳跃式再入。在跳跃式再入期间，飞行器再入大气，但会被气动升力给“推”回去，离开可明显感触到的大气，但此时动能较低。通过多次的这种“跳跃”，飞行器动能可以分阶段被耗散掉。在多次跳跃后，飞行器就不再具有足够的速度离开大气，从而被大气捕获。图1.3为这三种再入大气层方式的示意图。

阿波罗计划之后，美国决定发展一种可重复使用的运载飞行器。这种飞行器将可以多次使用，且价格低廉，它在某种程度上与先前的X-20概念有点类似，并且具有更大的规模，可以将有效载荷运送至轨道。这最终促进了空间运输系统(STS) 的发展，或者也可以称之为航天飞机，因为它更被人们所熟知 (图1.4)。尽管航天飞机运行了大约30年，但由于其TPS维护费用高昂，所以从未实现廉价的可重复使用 (进入太空) 的目标。

欧洲提出的一些太空飞机的概念与美国20世纪60年代提出的概念几乎是同时开展研究的，它们大部分来自法国、英国和德国的一些公司及机构。尽管这些概念没有一个真正投产，但确实为欧洲的太空产业提供了再入飞行器和太空飞机方面的重要的设计经验。

最近，ESA (欧洲航天局) 和法国国立空间研究中心 (CNES) 开发了赫尔墨斯飞行器，它搭载在阿丽亚娜-5运载火箭的顶端，是在20世纪80年代末与90年代初这段时期内研发的。大约同一时期，德国一家名为MBB的公司 (现在是空中客车集团的一部分) 和德国国家研究部提出了一种名为Sanger Ⅱ的飞行器概念 (Sanger Ⅰ是20世纪60年代提出的飞行器概念之一)。这是一种两级入轨 (TSTO) 概念，利用一个高超声速飞行器携带上面级 (上面级是入轨的载荷的俗称) 到达较高的高度和较大的速度，之后上面级被释放分离，上面级使用火箭发动机进入轨道。这一概念提出了两种不同的上面级的设想，一种是无人的CARGUS，另一种是有人的HORUS。尽管像赫尔墨斯计划一样，这个计划由于缺少资金支持被取消了，但HORUS飞行器在Mooij (1998) 关于太空飞机的一些总体概念设计中被当作了参考飞行器。图1.5显示了Sanger Ⅱ背上的这种飞行器模型。

20世纪90年代，ESA和NASA联合为国际空间站 (ISS) 研发了一种载人返回飞行器 (以及它的演示验证飞行器X-38)。这种飞行器具备升力体外形，如图1.6所示。该飞行器在低速着陆阶段采用了翼伞。X-38的外形是基于先前设计的升力体飞行器X-24A, X-24A比X-38要早大约20年。但在开展了大量的研究 (包括亚声速的投放试验及翼……) 之后，由于预算削减，X-38项目被取消了。

尽管在再入飞行器设计初期，计算机开始成为实用性的设计工具，但与目前最先进的技术相比，其计算能力非常有限。这种情况有力促进了概念设计模型的开发、评价和使用，如Fay和Riddell (1958) 的热传递模型。虽然这种模型的精度明显低于目前的计算流体动力学 (CFD) 模型，但正确使用这种模型，并且结合风洞试验和最终的飞行试验数据，仍可以为飞行器的设计提供充分的结果。另一个近似气体动力学建模的优秀案例是由麦克唐纳·道格拉斯公司 (Gentry等，1973) 开发的超声速/高超声速任意体程序 (S/HABP)。除了气动性能预测的近似方法外，还利用了多种假设来分析再入飞行器的轨迹。利用这些简化的控制轨迹的微分方程，可以简析获得飞行器轨迹，或者可以用较低的计算能力来计算得到飞行器轨迹。这两种方法是由Chapman (1958)、Allen和Eggers Jr (1958) 提出的，随后在Loh (1968) 和Vinh等 (1980) 编写的教科书中给出了这些简化方法的概括性总结。

即便现代计算设备已出现，这些概念设计方法依然具有实际应用性。特别是，快速计算和简化模型的结合将允许在设计阶段开展大量的飞行器外形和再入方式的分析，这使得概念设计的选择更多更广泛。本书则重点关注这种方法。

1.1.2 21世纪的再入

政府和私人研究机构的一些与高超声速飞行和再入有关的项目目前正在实施中，或在近期已经开展了研究。事实上，历史已经表明项目并非都会进入能够生产全尺寸飞行模型的阶段。然而，一些具有前景的项目已经启动了良好的技术方案。

有一项名为EXPERT (European eXPErimental Re-entry Test-bed，欧洲试验性再入测试飞行器) 的项目，其目的是收集更多的高超声速飞行器的 (设计)数据，它是ESA未来运载器预先研究项目 (FLPP) 的一部分。正如Massobrio等(2007) 描述的，它的任务是飞向亚轨道并以5~6 km/s的速度再入。这架飞行器将利用一台VOLNA运载器从一艘俄罗斯的潜艇上发射。尽管这架飞行器的飞行模型已经生产出来了，但不幸的是它从没有被发射。

第二架欧洲的试验飞行器也是ESA FLPP计划的一部分，名为中级试验飞行器 (Intermediate eXperimental Vehicle, IXV)。这个概念是用来验证欧洲可重复使用的运载器技术。IXV于2015年2月11日成功发射，完成了100 min的亚轨道飞行任务。它成了首个以轨道速度再入大气层的升力体飞行器。IXV源于先前欧洲的研究或相关飞行器，如Pre-X (由法国CNES研发), ESA的AREV (大气再入试验飞行器)，以及更早的于1998年成功飞行的ARD。

虽然EXPERT和IXV飞行器本身是很有趣的，但它们是用于技术演示验证和研究性的飞行器，并没有计划将其进行改造用于向空间运送货物。来自欧洲未来航天运输计划 (FESTIP) 中的一个飞行器概念得到了发展，它是名为Hopper的飞行器。如Spies (2003) 所描述的，该飞行器将由一种水平轨道制导系统发射，每年发射10~20次，大多数的任务是将货物运送至地球同步转移轨道 (GTO)。这种水平发射的好处是与常规的火箭或航天飞机的发射相比，它所需的推力大大降低。这是因为对于有翼式的水平发射来说，使飞行器起飞离开地面的力大部分是空气动力，因此可以降低发动机的推重比，从而能够降低总质量。2004年，Hopper飞行器的一个1/7缩比尺度模型被制造出来，名为凤凰-1号 (图1.7)，并从一架直升机上投放，用于测试这种飞行器的低速空气动力学。这个项目是德国ASTAR计划启动实施的，其目的是为发展全尺寸的Hopper飞行器进行预先准备工作。然而，近些年来，该项目没有更进一步的发展。

目前，英国正在研发的一种太空飞机的名字为Skylon，它是由Varvill和Bond (2004) 描述的一种单级入轨飞行器。该飞行器将使用双模态发动机作为推进系统。达到马赫数5之前，其所谓的佩刀 (SABRE) 发动机将作为吸气发动机，使用预冷器冷却来流空气，点火之前正好达到气相边界之上。达到马赫数5之后，其发动机将作为常规的火箭发动机，提供剩余的到达轨道所需的速度cf。Skylon飞行器将是无人驾驶的，并使用液氢液氧作为燃料和氧化剂。这个飞行器能够将15 t有效载荷运送至近地轨道。该飞行器的设计，特别是其推进系统的设计，源于1989年被取消的HOTOL太空飞机概念的设计工作。该飞行器的推进系统本身就是基于航天飞机时代的一种吸气式发动机概念。该项目得到了英国政府的资助，预计全尺寸的发动机测试将于2019年进行，无人飞行试验最早将于2025年进行。

2010年，一个更加成熟的升力式再入飞行器首次进行了测试，它是无人驾驶的X-37B轨道测试飞行器 (OTV)，这是一种小型的 (长29英尺，翼展15英尺) 有翼式再入飞行器。它由波音鬼怪工厂研发，而该项目属于美国空军。由于该项目的军事性质，其公布的信息是非常有限的。它搭载于阿特拉斯-5火箭顶部发射，并使用自主导航系统着陆。X-40是X-37的飞行试验缩比模型，已完成了生产并进行了测试，验证了制导系统和低速空气动力学特性。此外还进行了全尺寸模型的测试，即被称为接近和着陆测试飞行器 (ALTV) 的X-37A，使用白骑士飞行器作为其载机。截至目前，已成功完成了三次轨道飞行，第一次是在2010年 (任务时长约7个月)，第二次是在2011年 (任务时长超过了1年), X-37的第三次任务是在2012年12月中旬发射并于2014年10月7号在空军范德堡基地着陆，第四次于2015年5月20日发射，至2016年5月任务仍在进行中。图1.8展示了阿特拉斯-5发射之前有效载荷整流罩内的X-37B。

还有一款非常有趣的飞行器在2010年5月进行了测试，它是名为X-51的研究性飞行器，其外形为所谓的乘波体。这款飞行器是一个可重复使用超燃冲压发动机的演示验证器。前一个用于演示超声速燃烧的X系列飞行器X-43验证了超声速燃烧，但仅持续了10 s。X-43铜制的发动机作为热沉器，产生了非常高的温度，并产生了预计的故障。X-51飞行器的超燃冲压发动机采用主动冷却系统，使用燃油作为冷却剂，允许的超声速燃烧可持续数分钟。成功的试验表明超声速燃烧时间达到约200 s。

此外，太空旅游正在成为一个可行的产业，一些公司正在开发亚轨道飞行器，用于将人们带到100 km以上高度的太空。尽管这些飞行器还远没有达到轨道速度，仅能在大气层边缘维持几分钟，但这表明私人部门对传统的航天应用 (如大部分的通信和观测卫星等) 之外的商业航天产生了浓厚的兴趣。尽管针对主要用于旅游目的的轨道飞行器，其技术要求要比当前的飞行器严格得多，但其发展是振奋人心的。图1.9展示了一个用于太空旅游的亚轨道飞行器——维珍银河的太空船二号。