返回大氣層

返回大氣層（Atmospheric entry）是指人造或自然的物體從外空間進入大氣層。在地球情況，是指從卡曼線（100km）的高度進入大氣層。本文主要描述研究行星表面的工具控制重新進入大氣的過程，但也包括不受控制的無意或偶然發生的情況，如人造衛星脫軌和由於軌道脫變落回行星的空間垃圾。

遭到這種過程情況的工具包括一些從軌道返回（空間飛船）和從外軌道（次軌道）的工具。這種過程最主要的要求是有特別方法避免由於空氣動力學所發生的熱損害工具。已發展了各種先進技術使返回大氣層成為可能。

最早提出物體從地球外進入大氣層，其表面要有防護物概念的人是羅伯特·戈達德；他早在1920年提出；“速度每秒30公里流星進入大氣時，其內部是冷的，但在一定範圍內，由於表面突然受熱而受腐蝕和脫落。為此，如物體的外表面有一層硬的不溶解的導熱差的表面層，就可保護其內部”。1950年後，蘇聯和美國不斷發展火箭及其回收技術。對發射物返回大氣層問題進行了許多深入研究：主要包括發射物的形狀和其表面的防護層二方面。

1951年美國的阿倫和埃格斯發現：從簡單工程原理得出，遲鈍形（高阻力）物體有最有效的防護層。阿倫二人指出，進入大氣層物體所產生的熱和它的阻力係數（drag coefficient）成反比。

3.1進入物的形狀

最簡單對稱形狀是球或是球截面，它可是一個完全的球，或前身是球截面而後身為匯聚錐體。它可用牛頓衝擊理論分析。早期蘇聯的金星探測器用純球形，而美國阿波羅探測器則用前身球截面後身匯聚錐體。

球-園錐

球-園錐是一球截面付加一頓園錐，它的動力穩定性比球截面的好。這種形狀的空間探測器已用來探測金星，木星和火星，並進入它們的大氣層。

雙園錐體

是一球-園錐附加一平截頭體。它大大改進了飛行物的長度和直徑比（L/D）。高L/D的雙園錐設計是便於把人送到火星探測。

非對稱形

非對稱形已用作人操縱返回大氣飛行器。如美國的太空梭。

3.2衝擊層氣體物理

熱防護設計估算衝擊層峰值溫度的近似經驗法則是假定空氣的溫度等於進入的速度。但在飛行速度很高時，這樣的法則是與實際不符的；返回時衝擊層的空氣變得遊離和化學分解。化學分解需要各種物理模型描述衝擊層的熱和化學性質；有四種物理模型對航天工程設計熱防護是重要的。

理想氣體模型：理想氣體理論對設計飛機是非常有用的。它假定氣體是化學惰性的。這個假定在溫度550度K以下一個大氣壓時是可以用的；但溫度超過2000度K時就不合用了。對這樣的防熱設計就要用真實氣體模型。

實際（平衡）氣體模型：實際平衡氣體模型假定，氣體是進行化學反應的。也假定所有化學反應有足夠時間進行反應完。且氣體的所有成份有同樣溫度（這稱為熱力學平衡）。空氣受一衝擊波作用時，通過許多不同反應，空氣由於被壓縮和化學分解而變的超熱。因此，進入器具受沖的瞬間會受實際氣體效應影晌很大。但阿波羅-CM和太空梭都用了不精確的實際氣體模型和不正確的衝擊時間設計。導致較窄的月亮返回行廊。

實際（不平衡）氣體模型：非平衡實際氣體模型是衝擊層氣體物理的精確模型，但比平衡模型較難解決。

凍結氣體模型：這裡凍結是假定所有化學反應都已停止。

3.3熱保護系統

熱衝擊層氣體從熱保護外層排除（產生一較冷層）。

超輕易融層：是Lockheed Martin的專利，稱為超輕重量易融層，用在NASA發射到火星，重返地球的探測器上。

充硅酮可重用陶瓷易融層：在火星探路者背部平面上使用。

充玻璃環氧樹脂雙醋苯啶特別易融熱防護系統。美國海軍用在阿波羅太空船上。