【Demllie航天】宇宙飞船与火箭，着陆与回收_坎巴拉太空计划回收火箭

前言

虽然我现在在坎巴拉中连空间站都没做出来，也从没有从Mun上安全返回过，但是提前准备自己的航天器设计是没错的——昨晚做了一晚上，全都不喜欢，所以化了点时间把能想到的宇宙飞船和着陆器设计都列举出来。再考虑该做哪个！！！

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空间站和行星际飞船

先不谈具有载人返回能力的飞船，只谈用来居住、实验、储存等用途的舱段。

无论是国际空间站，还是中国要建的天宫空间站，无论是设计远航的深空之门，还是电影火星救援中赫尔墨斯。都存在一个问题，不是拥不拥有旋转的环形设计，而是空间站的舱段间的大小是固定的。单个舱段的大小是有限的，就算是用充气的太空站，其中通过的物体的大小都受对接口的大小限制。

和平号空间站

国际空间站ISS

《地形引力》中的天宫

待建的天宫

《火星救援》赫尔墨斯
另外，有T型或者十字型对接的不适合行星际航线，所以通常设计成长条型，带来的结果是非常长，只能通过增加长度来提高容量。

待建的深空之门

美国计划的登陆火星飞船（两段）

美国计划的登陆火星飞船（多段）

星际穿越中的环形空间站
这个就比较有意思了，赫尔墨斯上也是通过多个舱段级联来创造环形，而这个就只有环形。问题也有，空间似乎不能拓展。

综上，一般设计宇宙飞船（指空间站）还是做成长条形。长条也比较好加速？如果要做更大型的结构的话，我觉得需要做成口字型，T型十字型都不太靠谱，要是对接口断了就GG。口字型可以有多个对接口分担惯性力的影响，增加稳定性。

宇宙飞船

现在的载人宇宙飞船一般是三个舱段：轨道舱、指令舱（返回舱）、推进舱（设备舱）。联盟号的叫法与神舟号叫法有点差别。
前面两个舱是可以住人的，后面的是用来推进飞船等功能的。比如神舟飞船的宇航员，就是在轨道舱（生活舱）里工作、生活、吃饭、清洁……
三舱构型是受火箭运行的尺寸限制，当有能力建造直径更大的火箭后，返回舱就可以做的足够大，没必要有轨道舱了。比如中国新型宇宙飞船、俄罗斯新型宇宙飞船、美国猎波音的Starliner、猎户座飞船、龙飞船二号这些载人飞船都是两舱构型的。

龙飞船二号

Starliner

猎户座

中国新型载人飞船


可拆卸的防护层

对于不载人的宇宙飞船就没那么多要求了，只是个普通的、只在太空起作用的仅仅做个盒子就行。而对于货运飞船，要求就稍微高一点，但也没载人的飞船要求高。比如日本货运飞船HTV、天鹅座货运飞船，单单留个舱段存放物品就行，再给舱段加个推力。

日本HTV货运飞船

天鹅座货运飞船

除了单舱段的货运飞船，还有两舱段的货运飞船。美国龙飞船一号，中国天舟货运飞船。至于三舱的飞船用于货运，就只有俄罗斯的联盟号了。

龙飞船一号

天舟一号

航天器着陆地球的手段

通常的着陆器都是指的旋转对称体。

对有空气的星球，比如地球，航天器返回载入分为弹道式、弹道升力式和升力式三种方式。这是根据航天器在再入段的不同启动特性来分类的。在大气层中，航天器所受空气动力分为沿速度反方向的阻力D和垂直于速度方向的升力L两个分量。

升力和阻力之比是升阻比，升阻比在0~0.1之间的是弹道式返回再入。升阻比在0.1 ~0.5之间的是弹道升力式返回再入。升阻比大于0.5是升力式返回再入。

弹道式返回再入

几乎没有升力，航天器一旦脱离运行原来的运行轨道，就沿着预定的弹道无控制低返回地面。
优点是没有升力，所以航天器气动外形简单，常常是轴对称旋转体外形。问题是无控，再入过程中没有矫正落点位置偏差的可能，回收区域大。

弹道升力式返回再入

航天器再入时具有一定升力，这可以增加再入走廊的宽度，改善再入状况。在相同的再入条件下，增大升阻比还可以减小最大过载值和降低热流密度峰值。
在再入过程中，以一定的逻辑程序控制滚动角，改变升力垂直和水平分量，可以控制航天器在大气中的运动轨道。
采用弹道升力式可以调整着陆点，落点偏差小，可以控制在几千米以内。

弹道式返回再入中还有一种特别的方式，跳跃式返回再入。由交替的弹道式飞行段和跳跃式飞行段构成。
航天器在进入大气层一段时间后，调整升力，使航天器升力再次冲出大气层，做一段弹道式飞行，然后再进入大气层。也可以多次出入大气层，每次进入一次就利用大气进行了一次减速。
（对于进入大气层后虽然不再跳出大气层，但是靠升力使再入轨道高度有较大起伏变化的轨道，也被称为跳跃式轨道）

升力式返回再入

上面两种方式都没有或有很少的升力，所以只能垂直降落。在接近地面前，还需要一套降落伞系统来来统一减速，才能保证安全着陆。

当要求航天器水平着陆时，必须给航天器足够大的升力，使再入轨道，特别是着陆段平缓到适合水平着陆的程度。能够实现水平水平着陆的航天器升阻比大于1，这样大的升力不能再用偏离对称中心轴线配置质心的方法获得。所以升力式航器不能使用旋转体。只能采用不对称的升力体。

升力体一般是带翼的，这样可以不用使体型复杂化，升力由体型和翅膀一同提供。

着陆火星的手段

$$三种典型的火星探测器着陆过程参数$$

重力转弯是什么？

安全着陆的基本要求是着陆器能以垂直的姿态，很小的垂直速度和零水平速度登陆，所以这种制导方法就出来了。重力转弯是着陆过程中通过制动系统使制动加速度方向与速度方向始终相反，一段时间后，着陆器就会在重力的作用下变成垂直状态。

假设飞行轨迹下的火星表面是均匀引力场。引力加速度大小是$g$,着陆器速度大小$v$,发动机输出的推重比是$u$,速度方向与重力方向夹角是$\psi$,终端速度$v_f$
那么转弯过程的动力学方程有
$$m\frac{dv}{dt}=-umg+mgcos\psi ，速度方向上的合力$$$$a_n=v\ast \omega =v\ast \frac{d\psi }{dt}=-gsin\psi ，分运动上的旋转加速度$$$$\frac{d^{2}h}{d{t}^2}=-(v-v_f)cos\psi ，垂直方向上的速度增益$$

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前面讲了如果是利用启动外形减速的话，可以采用的三种方案。都有一个共同点，一是靠航天器硬抗，二是最后的着陆靠降落伞系统或者滑行着陆（升力体）。这两种也可以考虑作为火星着陆的手段。以下的方案只作为着陆火星的部分过程的解决方案。

防热大底

一般都是需要防护罩的，但是要不要大底就不一定了。除了防热大底，还有充气的防护罩。
美国几次登陆火星气动减速段都用到了大底。只是在着陆段又给抛掉了，说明最后着陆时的选择比气动减速时的选择更多样。

降落伞

降落伞在气动减速后期打开，但是单单用降落伞还是不足以安全降落火星。最后着陆部分还是需要用其他方案。

反推

中国2020年的火星登陆计划就是降落伞+反推的，但是考虑到火星条件复杂，第一次计划就登陆火星还是太冒险了。

龙飞船二号的反推实验

这个实验相当帅气，美国和我国的差距还是太大了。spacex想依靠反推来替代降落伞着陆，帅是帅，单单靠降落伞的话，携带的燃料太多了。如果载人的话就很危险。

至于为什么我国新型宇宙飞船也有反推，俄罗斯联盟号也有反推就不危险吗？那是因为反推只作为最后的手段。降落伞减速段还是有的，所以相对龙飞船二号携带的燃料会比较少。
这不，前几个月，这么帅气的龙飞船二号就给炸了。

气囊缓冲

勇气号与机遇号都是通过这种手段登陆的，防热大底打开后，再打开反推进行悬停，火星车与包裹它的装置被释放出来。气囊充气，充完后降落伞断开，气囊被扔到地上。
包裹火星车的装置是四面体，一个底面，三个围面。无论最后哪一面朝下，打开后都能让底面朝下。当然，先泄气的。

悬停吊车

好奇号的登陆过程与机遇号、勇气号的区别就在最后这个吊车部分。另外两个是给气囊充气后把气囊扔下，这个是用吊绳把车放下。

火星真有这么危险吗？
为什么最后着陆单单用反推不行呢？海盗号和凤凰号都是这样的，火星车也可以放在着陆器上嘛！
我觉得，主要是怕把车炸了。如果着陆器最后出了点问题，采用气囊或者吊车都可以减少这种问题的影响。安全把车给送到。

气囊减速（充气护盾）

现在是2019年9月13日，这种方案5、6年前我就在新闻上看到了——在地面上装个横向加速的火箭，把这个着陆器放到高空，打开降落伞和反推和气囊（也许）。火箭和着陆器之间通过一个拐角连了一根绳子，火箭加速（火箭横向移动，带动着陆器高速向下运动）后把着陆器高速待到地面去，营造一种火星着陆的条件。

现在这个时候，这个东西还没上天。也许是为了decades后的载人登陆火星做准备。

滑翔

这是太空船二号，几年前坠毁了。作为一个太空旅行的亚轨道飞船，它先由飞机带到高空，之后飞机在高速状态下把太空船二号放下，太空船二号点燃引擎进行二次加速到80km左右（最高高度）。

火星着陆也有可能采用滑翔的方案。

太空船二号与搭载它的双体飞机——白色骑士一号

被其他飞行器捕捉

这个是电子火箭公司计划的火箭回收方案，由一个直升机把着陆的火箭捕捉回去。

火星……也许也能用这个吧。前人种树，后人乘凉。有了其他准备，之后的着陆器着陆可能就方便多了这个道理。

太空电梯

太空电梯在地球上是肯定不能建设了，但是可以在外星球做。可以先拿月亮做个试验——在月球上建设一条连接行星际旅行飞船的补给站和月球地表的太空电梯，这样既减少了着陆月球又返回的消耗，有给在其他星球上建设太空电梯提供了参考，还可以加速人类成为太阳系文明。

不断补充防护罩

这是《安德的游戏》中的一个创意，由大量的小飞行器围绕在飞船身边，代替防护罩隔热。在这个作品中飞行器还有一个作用是包含飞船不受外边外星飞船的破坏。

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火箭回收的手段

反推+栅格舵+RCS

目前最牛B的spacex采用的回收方式，也是世界上最成熟的火箭回收。反推减速，RCS进行滚控，栅格舵辅助调整姿势。真是科幻般的场景，记得1几年在新闻上看到蚱蜢火箭升上去又落下来的时候，那震撼高于看到了阿特拉斯机器人。

反推+RCS

蓝色起源的JB火箭回收采用的方式，头部有一个开口，RCS发动机在里面，着陆后这几个口就封闭起来了。

RLV-T5这个小小的酒精火箭也没有用栅格舵，目前其最高纪录是300米。下一枚火箭RLV-T6将达到亚轨道，火箭也将换成九州云箭的甲烷变推力发动机。
栅格舵这个东西翎客航天以后会在NewLine-Baby上会用的（宣传片上有）。

降落伞+RCS

这是电子实验室将要采用的回收方法。这枚火箭不会进行反推，先高速穿越大气层后由降落伞减速，之后用直升机过去抓住。这种方案只实用与小火箭，也是为了对抗spacex，如果它伸手到这类市场的话。
公司老板说这个回收成本不会比spacex雇佣船来回收少太多，所以他们抢的不是便宜，抢的是时间——许多任务是顾客因为时间紧急而换到电子实验室的。

Just栅格舵

火箭一级被动再入，栅格舵用来控制转向，最终达到控制落点的目的。这也不算是回收，为了弥补火箭坠入内陆做出的努力。

反推+控制面

欧洲的RETALT计划，反推辅助着陆计划。将级间段折叠展开变成控制面，类似于风帆。

滑翔

这是一款乘波体，是高速飞行试验火箭，据说有验证滑翔回收。

螺旋桨(滑翔)

澳大利亚卫星发射服务公司（ASLSC）针对小型卫星的发射市场，也研制了一种称作“澳大利亚运载火箭”（ALV）的系统，它不仅能将重量小于150kg的小卫星送入距地球570km的太阳同步轨道（SSO），而且能降低发射成本。

降落伞+用头来硬抗

忘记了哪个PDF中看到过的，在网上找了半天都没配图。这是俄罗斯的一个计划，回收火箭助推器。
火箭主推机分离后靠降落伞把助推器调个方向，使发动机朝上，头朝下。落地时靠助推器的结构形变来吸收冲击力。

Just降落伞

六月29号真的有一家美国的EXO公司进行过火箭的亚轨道回收实验，用控制伞来降落。

后记

目前中国有栅格舵的火箭有三款，不算落点控制试验的长征二号丙的话，还有两款，都是辅助飞行的，并不用于回收，当然这可能都是为回收做准备。这两款款火箭分别是双曲线一号（命名似乎是因为卫星的轨道一个部分很像双曲线）、快舟一号甲（固体火箭，快是特点，是DF再就业版本 ）

双曲线一号

快舟一号甲

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参考《航天器动力学与控制》