大氣層再突入(re-entry)就是指太空船從太空回到地面而飛進地球大氣完成降落這段過程，這是太空任務中最危險的關卡之一，因為太空船以超高速衝進地球大氣瞬間，太空船前方的空氣會被急遽壓縮，氣體受到這樣的壓縮溫度會上升，因為高溫的緣故氧和氮等分子會分解成原子(解離)，解離的原子又進而分離為原子核與電子(電離)的電漿狀態而發橘光。這些熱傳導到機體使機體變成高溫，這種情形稱為『空氣動力加熱』(aerodynamic heating)。太空船必須能夠承受這樣高溫才可以保護艙內人員及搭載的物品。另外太空船也要承受極高的加速度。之所以會承受如此巨大加速度，是因為太空船以極快速度掉到大氣比較濃密的極低高度，大氣阻力會對太空船產生緊急煞車效果。大氣層再突入與降落方式會依有人與無人的狀況而有所不同。有人的場合除了熱的問題外，還有該如何緩和因急遽減速產生的加速度。一般有人太空船都是以拉長通過大氣較為稀薄之高高度時間，也就是在稀薄大氣中承受較弱阻力慢慢煞車，所以產生加速度較小外也可以抑制發熱。空氣動力加熱是因為以高速再衝入大氣層才發生的，那麼是否可以採用"一直逆噴射來緩慢降落"? 採用這種方法是有可能不發生空氣動力加熱而降落到地面但這是不實際的方法。發射太空船到環繞地球軌道時太空船速度必須加速到每秒7.8公里以上。若要從該處一直利用逆噴射緩慢降落地面就必須把這個速度降到零，所需的推進劑量和發射時使用的量相同。所以發射7公噸的聯合號太空船需要270公噸推進劑，假如採用一直逆噴射緩慢返回也需要270公噸推進劑，火箭發射升空時需要更多推進劑所以效率非常低。
再突入的太空船前方空氣受到空氣動力加熱而成為發光的電漿狀態
利用大氣阻力來降低速度，保護機體不受空氣動力加熱的損害，可依加熱強度、加熱持續時間差異採取不同方法
1.熱沉法
主體用隔熱材料包覆，外面再貼上不易加熱、難以融化的吸熱材。在熱尚未傳導到內部之前突破承受加熱的高度。適用於加熱時間短暫的場合。範例:米國最早有人太空船水星號
2.輻射冷卻法
耐熱磚被加熱到高溫時會以可見光及紅外線的形式釋出熱，藉此降低耐熱磚的溫度防止熱傳導到機體，適用於長時間承受微弱加熱的場合。範例:米國太空梭
3.燒蝕法
使用含有不易傳熱的碳纖維等材質的強化塑膠作為耐熱材。當它熱分解時會吸收熱並產生碳化而變硬的表層(碳化層)，此外在表層的內側塑膠進行熱分解所產生的氣體會包覆著表面抑制加熱。耐熱材在承受加熱期間會漸漸地往內側進行熱分解，其厚度要設計成不至於燒毀機體本身。適用於長時間承受強烈加熱的場合。範例:聯合號、隼鳥號
太空梭採取像飛機一樣設計，以便獲得升力(上浮的力量)，而得以延長在高高度飛行時間，進行數次S形轉彎以便減速，太空梭最大加速度為3G左右，並以滑翔飛抵降落地點。俄羅斯聯合號之類船艙型返回艙，也採取把碰觸大氣的底面做成平坦形狀以獲得某種程度升力，其加速度約3~5G，不過聯合號無法以正確姿態再突入時會改採較陡角度的『彈道模式』降落，此時所承受加速度為一般3~5G的2倍，雖然加速度變大卻可確保貼著耐熱材的底面朝向下方來避免燒毀返回艙。之後展開減速用小型降落傘再展開主降落傘，即將著地前返回艙上的火箭會進行噴射。另外與從低地球軌道上飛行再衝入大氣層的太空梭、聯合號不同，隼鳥號是從行星間空間飛行再衝入大氣層，這需要更精密地引導太空船，使它進入適合再突入地球大氣層的軌道。隼鳥號之類太空船是採取掠過地球表面軌道，這軌道如果太接近地球衝入大氣角度會太陡導致產生劇烈空氣動力加熱把太空船燒毀；如果太空船的軌道離地球太遠衝入的角度會變得太淺，太空船會通過地球大氣上層而無法充分減速，這樣一來太空船將會離開地球一去不回。所以需要非常精密地軌道控制。
隼鳥號樣本艙以每秒12公里速度從大氣圈再突入，以高速下降到大氣較濃的低高度（從高度80公里下降到40公里約40秒）表面溫度高達攝氏3000度、加速度最大50G。樣本艙通過如此嚴酷環境減速後在抵達10公里左右高度時會打開降落傘緩緩地往地面降落，此時也會丟棄耐熱殼，防止已加熱的耐熱殼將熱度逐漸傳導至內部，衝入大氣層大約30分鐘後著陸。
留言列表
