关于太空返回飞机的一些推理

神州22号返回舱已经于2026年5月29日晚安全返回，标志着我国航天员从太空返回的技术已经完全成熟，这是一件可喜可贺的事情。但是，单从技术上来看，我国的空间站返回技术虽然已经成熟，但是专业性强，物资消耗大，危险性高，对人体健康素质要求过高，所以不适用于大规模人员往返，不适应于商业化航天返回。现在就未来的航天返回工具展开讨论。

     我们知道空间站在太空中飞行是地球引力和飞行离心力的平衡的结果，在这种平衡下航天员是失重状态，所谓的失重状态实际上就是地球引力和飞行离心力的合力为零的状态，此时的飞行速度是7.9千米每秒，空间站的飞行高度大约是距离地球表面400千米。航天返回舱的回家之路本质上就是打破，使得地球引力重新占据主导地位，让地球引力把返回舱拉回地球。实际上要打破这种平衡只需要很少的能量，所以航天返回舱一般由两部分组成，一部分叫返回推进舱，它搭载的固体燃料大约不足100公斤，它的主要工作是调整姿态、脱离空间站和逆向减速，返回推进舱的主发动机点火只工作约150秒，产生巨大的反向推力，在距离地面约145公里时，推进舱就与返回舱分离。此时返回舱没有任何动力，完全是自由落体方式的跌落地球。当然它的飞行轨迹是不受人控制的，但是却是人设计好的，在此期间，返回舱并非完全自由落体，而是通过自带的GNC（制导导航与控制）系统全自动调整姿态，利用升力控制飞行轨迹，将航天员承受的过载控制在4g以内，并精准飞向预定着陆场。返回过程要穿越大气的中间层、平流层和对流层。当穿过中间层、平流层的时候，由于减速度太大，返回舱和空气摩擦产生2000多度高温，在返回舱周围形成一层电离层，隔断通讯称之为“黑障区”。当飞出黑障区、下降到距离地面约10公里高度，进入大气对流层空气变得稠密，降落伞系统开始接力减速。降落伞系统是“三级开伞”程序：引导伞最先弹出，负责拉出减速伞。减速伞将返回舱的速度从约200米/秒迅速降至70米/秒左右。主降落伞在约8公里高度打开，主降落伞红白相间，面积达1200平方米（相当于3个篮球场），它将返回舱的速度进一步降至7~8米/秒。在距离地面约6公里时，返回舱会抛掉底部的防热大底，露出最后的“刹车装置”。当返回舱下降到距离地面1米左右时，底部的4台反推发动机瞬间同时点火，产生向上的巨大推力进行最后一次“急刹车”。最终，返回舱以1~2米/秒的速度平稳着陆。配合座椅下方的缓冲机构，航天员能够安全、舒适地回到地球怀抱。

这种返回舱的返回方式具有以下特点：第一，递减速度非常快，能在一小时之内把飞行速度从7900米每秒减速到1米每秒。第二，高度落差非常大，从距离太空150公里处下降到地面。第三，返回过程是可控制的自由落体，全程不需要能量辅助。第四，整个过程有着巨大的减速度，可以高过几个地球g，给航天员以巨大的身体压力。第五，下降过程会因为和空气撞击产生高过2000多度的高温环境，空气出现离子化状态，给航天员和返回舱带来巨大危险。

由于以上原因，空天返回存在极大的风险。联盟1号（1967年4月，前苏联）飞船在返回地球大气层时，降落伞系统发生故障无法正常打开，飞船高速坠毁，宇航员科马罗夫不幸遇难，他也成为世界上第一位在执行空间飞行任务时牺牲的宇航员。联盟11号（1971年6月，前苏联）：3名宇航员在太空实验室完成任务返回地面的过程中，飞船的平衡阀门意外提前开启，导致舱内迅速失压，宇航员因暴露在真空中而身亡。挑战者号航天飞机（1986年1月28日，美国）：航天飞机从卡纳维拉尔角升空72秒后，因固体火箭助推器的O型密封圈在低温下失效引发爆炸，包括一名教师在内的7名宇航员全部遇难。哥伦比亚号航天飞机（2003年2月1日，美国）：在发射升空时，外部燃料箱脱落的隔热泡沫击中了航天飞机的左翼，损坏了热防护系统。在完成任务重返大气层时，超高温等离子体侵入机翼内部，导致航天飞机在空中解体，机上7名宇航员全部牺牲。

出现以上问题的关键在哪里？第一返回舱的空间返回全程自由落体，没有任何减速措施，返回过程只有不到两个小时。这种自由落体和我们通常认可的自由落体有很大不同，通常的自由落体是在大气层之内，位置在高处，速度从零开始，整个过程是加速过程。而空天飞行的自由落体是一个全过程的减速过程，速度从每秒7.9米一直回归到零，基本上和飞机不同，不需要燃料加速和维护速度。尽管不需要加速，但是可以调整飞行方向，飞行姿态，抬高降低高度，适当控制飞行速度。第二，回归过程减速度太快，给人以巨大的压力，给返回舱以极大的技术难度和控制难度，这是空难的主要原因。因此必须改变这种快速返回模式，才能从根本上解决返回空难问题。

美国的航天飞机为什么频繁出现空难，根本原因是结构过于复杂，功能太多。航天飞机的结构具有加速装备，这个装备携带巨量燃料，体积庞大，危险点大大增加。它有外挂燃料箱和固体火箭助推器，外挂燃料箱的其实是一个安全隐患，其外层被大量泡沫包裹，速度太快会脱落，高速下成为子弹。航天飞机轨道器表面贴满了特殊的“防热瓦”，这些防热瓦的可靠程度值得怀疑。航天飞机虽然象飞机一样在飞机场降落，但是它并没有脱离传统的返回模式，依然会快速通过黑障区，形成1700度的高温，形成安全隐患。

我们现在看中的是空间返回舱是全程减速过程，全程低加速，低温度，不产生黑障区，这个过程可以让我们的航天员悠闲的返回地球。为此需要模仿飞机的降落方式。飞机的飞起速度大约是每秒钟70-100米，滑翔伞的起飞速度更低。我们主要模仿飞机：把返回舱设计为具有飞机翅膀的形状，在返回飞机上安装飞机上的操作杆，允许返回飞机在操作杆爬升、下降、左转、右转。长度大约10米，翼展宽度10米，翅膀折叠以后宽度4-5米。返回飞机上只有一个小油箱，携带大约一吨油料，按照普通飞机的（或者航天返回舱）的发动机结构安装一个小型喷气式发动机（推进器）用于脱离空间站和调整姿态。从结构上说，返回飞机的脱离发动机的面向和返回飞机和宇宙飞船（中国空间站）的对接口处于同一方向，占用不同段位。两个端口可以间距2米。当然也可以使用宇宙飞船（中国空间站）弹射装置让返回飞机脱离宇宙飞船（中国空间站）。返回飞机返回飞行的时候实际方向就是推进器的安装一侧，这一点和以往的飞机完全不同，它预示着当返回舱和大气剧烈碰撞的时候，推进器的燃气出口首先碰见阻力，也许首先会被破坏，但是返回舱在脱离中国空间站需要反向推力，其它时间基本不需要推力，可以设计一个保护罩遮挡住推进器出口，让飞行前端变成附和空气动力学的平滑状态。总而言之，返回飞机不需要安装大型发动机，不需要携带巨量燃料，是一个形状象飞机，控制方式是飞机的方式，里面安装有必要的设施的减速式飞机。这个飞机从太空返回过程描述如下：

首先要明确什么是失重状态，失重状态的本质是地球引力和环绕地球飞行的时候产生的离心力之间发生了平衡，这一点很重要。当返回飞机向着飞行相反方向发力的时候，返回舱的飞行速度减小，低于地球引力。此时如果在自然状态下，返回飞机会从失重状态恢复到重力存在状态，所以迟早会被地球拉回地球，这个象流星雨。当返回飞机处于距离地面400千米的高空的时候，实际上不是真空，它处在大气层的热层，返回的过程还需要经过大气层的中间层、平流层和对流层，然后才能回到地面。大气层的热层距离地面85km - 800km，基本上是真空区，在黑障区之外。返回飞机可以使用推进器减速，把飞行高度从距离地面距离地面400千米，降低高度到距离地面100千米左右。此时飞行速度下降很慢，大约从每秒7.9千米，下降到每秒7.2—7.5千米，速度下降微乎其微，高度下降300千米，需要绕地球大约3——6圈。主要原因是推进器的功率较低。每环绕地球一圈需要消耗大约1.6小时，所以靠近地球大约需要4.8——9.6小时。

随后返回飞机进入关键减速时期，高度降低减少，速度降低幅度加大。这个主要发生在中间层外侧和中间层。大气中间层空气稀薄，但是由于此时返回飞机的速度依然高达7.5千米每秒，需要在稠密大气在外边把速度彻底下降到每秒1000米以内，这个工作主要在飞行方向可控的情况下在大气中间层进行，所以返回飞机在地球大气的中间层需要飞行3——5圈。飞行方式就是打水漂的方式。过去似乎认为返回舱打水漂重新回到了太空，飞行器降落不了。其实不是这样，飞行器遇见稠密大气以后会象在水面上票石片一样脱离稠密大气重返太空，这一点大家并不否认，但是这个过程中实际上由于遇见了阻力，返回舱的速度是降低了一点点的，根据物体的重力势能和动能相加保持一定的原理，返回舱飞行高度增加，势能增加，动能减少，返回飞机速度降低，如果降低以后得速度依然难以快速降落，那么可以开启霍尔推进器，或者开启喷气式减速器，让返回飞机再次进入稠密大气，然后第二次发生返回真空的动作。这个打水漂的动作反反复复地进行，每一次可以降低速度10米每秒到20米每秒，绕地球大气层飞行一周大约可以打水漂20——30次，可以降低速度500米每秒，第一圈可以让返回飞机的飞行速度从7.5千米每秒下降到7千米每秒。飞行高度大概从距离地面100——150千米下降到80——120千米。如此在地球大气打水漂两圈以后不再打水漂，返回飞机的速度也从7.5千米下降到6.5千米以内，飞行高度小于80千米。而返回飞机正式进入中间层，脱离暖层。

返回飞机的主要降低速度的阶段在大气层的中间层进行。因为这里有天然优越的环境，地球大气中间层的空气密度大约1克每立方，大约是地面空气密度的千分之一。温度大约负的60度到负的90度（-60——-90），是理想的减速降温段位。返回飞机在这个区域不会再反弹回太空，遇见稀薄空气会持续减速，减速和空气的剧烈碰撞产生的热量会因为外界的低温迅速下降。大约在这个空间区域绕地球飞行1——2圈，飞行速度会下降到1000米每秒以下，高度从距离地面80千米到50千米。接着可以进入大气平流层。

返回飞机进入平流层，速度已经下降到了1000米每秒以下，不会再产生黑障区，也不会产生高温情况，飞机非常安全。此时可以寻找降落轨道，准备降落。通常的飞机最快速度是每秒250米——300米，下降过程需要100千米的降落空间。而返回飞机的降落空间可以设置为2000千米到5000千米，平稳均匀降低飞行高度和速度。这时候可以交给航空指挥中心和空间站指挥中心联合指挥降落。从平流层顶端飞行高度从30千米下降到10千米，速度从每秒1000米下降到每秒200米。

返回飞机进入对流层完全依靠智能驾驶，航天员主动驾驶，地面指挥部门联合指挥，向着降落跑道对准飞行。展开起落架，然后和普通飞机一样在速度为80米每秒的时候降落在航天专用跑道，东风着陆场上面。经过滑行停靠港口，完成载人太空返回。

整个返回飞机主要经过热层降低高度阶段，热层底部滑漂阶段，中间层减速阶段，平流层滑翔阶段，近地层降落阶段五个阶段，大约耗时8——20个小时返回地球。在地球大气暖层飞行大约3——6圈耗时，4.8——9.6小时，在大气中间层飞行2——4圈，耗时大约4-16小时，飞入平流层以后需要2——4小时，飞入对流层大约需要1-2小时。所以总的耗时在9——38小时之间。由于在平流层以上几乎没有人工飞行物，没有大气湍流，可以自由调节速度和飞行姿势，因此飞行时间可以科学设计，只需要不产生高温，不产生高压就可以自由飞行。可以经过超级计算机模拟出飞行轨迹，并且遵守执行。

使用返回飞机的极大好处是可以像飞机一样在飞机场降落，可以避免出现高压，高温环境出现，在防止高温高压方面可以降低要求，减少设备设施。但是在密封方面和飞机均匀减速方面不能降低要求，减速度过大，出现高压高温的时候可以修正飞行姿势，修正飞行仰角来避免危险。在降落阶段可以通过修正角度方向对准跑道，真正象飞机一样降落。

通过返回飞机的设计，对宇航员的身体素质要求大幅度降低，普通人也可以去太空旅游，实现商业航天的大飞跃大繁荣。可以让航天返航飞机在全国各个大飞机场降落，不一定必须飞回东风着陆场，实现安全有效降落。可以大幅度降低返回难度，减少地面控制系统的紧张程度。

对于本次设计的返航飞机，和美国的航天飞机是不相同的，它只是一个返航使用的飞机，没有大型推进器，不携带大量燃料。返航飞机依靠长征火箭发射，它可以把翅膀折叠，长度10米，翅膀折叠以后宽度4.5米，高度4米。安装在长征火箭的顶端，用保护罩保护。它返回飞行主要依靠飞翔滑行，全程均匀减速，均匀降低高度。当温度过高压力过大，减速度过快的时候可以适当抬升高度，解决困难。返回飞行时间比目前的返回舱模式慢大约5——15个小时，但是宇航员全程不用捆绑，可以在飞机上自由运动，可以饮食可以上厕所，没有压力，可以活动，全程优哉游哉。这种方式可以让普通人变为宇航员。

以上返航飞机是把返回舱技术和现代飞机技术有效结合，解决航天返回中的难题的一种良好设想，具有很大的现实性，值得进一步研究。

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