太空梭返回地球有多難？速度最快可達到24倍音速
自從地理大發現以來，太空成為人類最後的邊疆。在 1961 年加加林首次實現載人航天后，可重複使用的航天飛行器就成為人們孜孜不倦的努力目標。太空梭就是第一個可重複使用的載人航天器。
出於種種技術和經濟的考慮，太空梭採用垂直發射、水平著陸的方式。太空梭的發射是一個驚心動魄的過程。液氫液氧火箭發出雷霆萬鈞的推力，太空梭在濃煙烈火中冉冉上升，最後划過長空，消失在藍天深處。但是，「哥倫比亞」號在返航時悲劇性的解體，再次說明了太空梭的回歸其實是一個更富挑戰的過程。
太空梭發射的壯觀景象，哥倫比亞空中解體，挑戰者又是那麼多問題，可能再也看不到太空梭發射了
理想的太空梭（也稱空天飛機）應該可以在不必特別準備的跑道上用自身動力滑跑起飛降落，在加速脫離地球引力進入軌道過程中不需要拋離昂貴的助推器，完成空間任務返回大氣層時有優良的氣動控制能力和正常的飛行能力，除添加燃料外不需要地面大修，就可以在短時間內再次出動。顯然，現在的美國太空梭只是在地面大修後可以重複使用、具有一定的再入段大氣層滑翔機動能力的重型飛船而已，離理想太空梭尚有一段距離。
哥倫比亞號在返回中解體
太空梭的氣動設計是一個極富挑戰的技術難題。太空梭的水平著陸，實際上是無動力的滑翔著陸。換句話說，太空梭一旦脫離地球軌道、進入大氣層，就是一鎚子買賣，不可能復飛了，必須降落下來，最好就是指定地點。這要求太空梭具有良好的升阻比，可以滑翔一定的距離，在滑翔中具有良好的操控，尤其要有良好的著陸操控性能。換句話說，太空梭要有良好的低空低速性能。理想情況下，這要求採用具有較高升阻比的細長機翼。但是，太空梭在返回大氣層之初，速度可以高達 24 馬赫，這又要求太空梭具有良好的極高速性能，否則不說操控的問題，要麼氣動應力把太空梭扯碎，要麼氣動加熱把太空梭燒毀，所以這要求太空梭最好採用阻力最小的升力體的布局。也就是說，由扁平短拙、前緣尖銳的機體本身產生必要的升力，根本不用常規意義下的機翼。經過大量的研究和計算，在對高低速飛行性能、滑翔距離、機動性、重量、減速和溫度控制綜合折中後，太空梭的氣動外形定為現在為人們所熟悉的升力體加三角翼的布局。折中都是有代價的，太空梭的操縱特性據說和一塊飛行的磚頭差不多。
滑翔機的細長機翼提供最大的滑翔性能，但高速飛行時阻力巨大，結構應力也巨大
升力體沒有機翼，直接用扁平的機體產生升力，這樣阻力最小，最適合高速飛行
太空梭的最後氣動布局是升力體加三角翼，綜合考慮從 24 倍音速到水平著陸速度的整個速度範圍的氣動性能
太空梭的機體還要考慮返回過程中氣動加熱所產生的極高的溫度。從減低氣動阻力以減少氣動加熱的角度看，太空梭應該採用尖銳的頭部。但理論計算和實驗證明，再入過程中極高的速度使氣動加熱的升溫速度太快，尖銳的頭部對減小氣動加熱的作用微乎其微，頭錐在時間和空間上受到高度集中的熱負荷，根本沒有時間散熱，將很快被燒毀。耐熱材料或隔熱、散熱、導熱技術只能略微推遲被燒毀的時機，但不能從根本上改變被燒毀的結局。1951 年，NACA（NASA 的前身）物理學家亨利·艾倫在機密的內部研究中發現，高速再入大氣層的航天器前端對空氣產生強烈壓縮，在前方大氣中形成一個傘狀的激波錐，激波前沿的空氣密度急劇升高，在航天器前面像一堵移動的牆一樣，航天器則在激波錐的尾流中前行。由於和前方靜態空氣直接接觸的是激波錐而不是航天器本身，氣動加熱主要由激波前沿和前方的靜態空氣之間的壓縮和摩擦產生。如果航天器表面和激波前沿保持一定的距離，氣動加熱所產生的熱量將主要在空氣密度較高的激波內傳導和耗散，航天器在周圍寬厚的邊界層保護下，本身承受的熱負荷就要小很多。於是，降低航天器熱負荷的一個重要途徑就是使激波錐前移，盡量遠離航天器本體。根據這一發現，亨利·艾倫提出航天器的頭部應該是鈍形，而不是尖銳的。鈍形頭部可以有效地在減速過程中，在艏部推出一個寬大和強烈的激波，並使波前鋒遠離艏部和周圍，就像平頭的駁船船首推開的波浪一樣。這就是為什麼宇宙飛船、太空梭、洲際導彈的頭部都採用鈍頭錐體的原因。事實上，如果能夠確保航天器在再入過程中不至於翻滾，平底朝下的再入姿態可以產生最大的保護效果。
亨利·艾倫的理論：讓航天器前方的激波錐承受氣動加熱，航天器則躲在後面「陰涼」的尾流里
亨利·艾倫的研究成果成為航天器再入段氣動設計的理論基礎。理論計算同時還證明了鈍頭錐體的氣動減速率和具體形狀無關，其氣動加熱速率和熱負荷與尖銳錐體相當，不同之處在於尖銳錐體的邊界層很薄，起不到隔熱保護作用，航天器的尖端和本體結構將變為承受氣動加熱的主體。相比之下，鈍頭錐體前方的激波是承受氣動加熱的主體，航天器所處在的尾流區反而溫度較低。實際表明，太空梭再入段初期，頭錐前方几米外激波前沿的溫度可達攝氏 5,300 度，但機體表面「僅僅」承受 1,260 度左右，用隔熱的陶瓷瓦就可以了。
如果主動地用「等離子火炬」在前方點燃一個激波錐，保護效果更好
當激波成為承受氣動加熱的主體時，激波內溫度極高，使空氣極化，在航天器周圍產生等離子包覆層。等離子體發出明亮的輝光，所以航天器再入時都拖著巨大的彗星尾巴一樣的火炬。等離子體對電磁波就像煙霧對光線一樣，有阻隔和吸收作用，而且對幾乎所有頻段都「格殺勿論」，這就是航天器再入時導致通信中斷的黑障的原因。據說俄羅斯在等離子物理研究方面有獨到的功夫，有意在作戰飛機周圍人為地注入等離子體，形成隱身屏障，如果能夠實用化，應該很有意思。下面還要談到，等離子體注入技術對高超音速飛行也有特殊意義。
NASA 的 X-37 實驗性航天器再入時的等離子層的想像
太空梭返回時的激波錐，可以看到，駕駛艙和載荷艙在較「陰涼」的尾流區內
熱防護問題解決了，返回飛行控制就是下一個挑戰。返回的軌跡設計對安全返回起到極大的作用。返回的軌跡必須盡量縮短穿越大氣層的時間，以減少暴露於氣動加熱的時間和降低累計的加熱量；又要盡量降低在大氣層的飛行速度，以減少氣動加熱的速率。這是一個很棘手的問題，只有一個很窄的窗口可以同時兼顧較短的飛行時間和較小的飛行速度。
太空梭裝備有減速火箭，但減速火箭的減速作用是有限的，只能將太空梭的速度降到不足以維持軌道運行的臨界速度以下，以完成脫離地球軌道的動作。減速火箭不能對再入時的高速下降過程起到真正的剎車作用。其實這道理很簡單，火箭發射是一個用動能換取位能的過程，返回自然就是用位能換取動能的過程。如果不考慮空氣摩擦和燃料消耗的因素，理論上，上升階段的助推火箭的推力和延續時間該多大，返回階段的剎車火箭的推力和延續時間也就要多大，這自然是不現實的。
太空梭再入過程的地面航跡示意
再入前，太空梭尾向前、背朝下倒飛，在指定的離軌時刻，點燃減速火箭約 2.5 分鐘，把速度降下約 330 公里/小時，使太空梭的速度所帶來的離心力不再和地球引力相抵，從而開始再入過程，約 27 分鐘後開始進入大氣層。這一階段，太空梭和一塊隕石沒有太大的差別。從進入大氣層開始，太空梭離著陸還有約 30 分鐘。
減速火箭熄火後，太空梭開始倒翻筋斗調整姿態，最終頭向前、背朝天以約 40 度仰角向前飛行。在進入大氣層時，高度約 120 公里，速度約 24 馬赫，距離著陸場約 8,150 公里。由於太陽活動和高層大氣活動的緣故，太空梭每次再入的細節總有細微的差異。在再入過程中，動壓達到 470 帕時，副翼開始生效，滾轉控制火箭關閉；動壓達到 940 帕時，襟翼開始生效，俯仰控制火箭關閉；偏航控制火箭一直要到速度減到 3 馬赫和 13,720 米高度時才關閉，改由機翼和垂尾的舵面控制。
左圖為橙色曲線帶為減速率，可以看出，在 15 到 10 倍音速期間減速最快。左圖的藍色曲線帶顯示了太空梭迎角隨速度逐步從 40 度減低到2 0 度的情況。右圖是太空梭橫滾角度的變化，可以看出，進入大氣層時，太空梭是水平的，馬上向右滾轉至約 80 度，減速至約 15 倍音速時，向左滾轉至約負 80 度， 到10 倍音速時，再向右滾轉至約 80 度，此後在約 5 倍音速和 3 倍音速時，再左右滾一遍，最後改平。STS-1 是哥倫比亞號太空梭的數據
此為速度和滑翔航程之間的預測
太空梭的高度從 93 公里降到 49公 里，速度從 24 馬赫降到 11 馬赫之間的過程，是著名的通信黑障期，這段時間延續大約 16 分鐘，在距離上大概為夏威夷以東約 1,500 公里的東太平洋上空到新奧爾良附近上空之間。這期間的主要挑戰是在氣動過熱、結構受力和耗散過剩的位能動能之間走鋼絲。增大太空梭的仰角無疑有助於減速，但可能導致氣動過熱和結構受力過度；引入俯角無疑有助於降低高度和結構受力，但增速太多，導致氣動過熱；所以太空梭繞機身縱軸左右滾轉至大傾角狀態，使機翼大大偏離水平而故意導致升力損失，同時又不至於增速太多。在這一階段，太空梭的側傾可以達到近 90 度，但仰角依然為 40 度，以減小氣動加熱對裝載人和設備的機艙上半部的影響。大傾角側滑有自然轉彎的傾向，不加修正的話，開始時對準佛羅里達的肯尼迪航天中心下降的太空梭，可能最終滑到加拿大的紐芬蘭去了，所以太空梭時不時地要向另一側滾轉，在高空划出高超音速的 S 形。
一出黑障，太空梭就出現在大約新奧爾良附近的上空，肯尼迪航天中心的 S 波段雷達就可以截獲太空梭，休斯敦控制中心就可以著手引導著陸了。這時，太空梭離著陸還有 12 分鐘，仰角逐漸減小到 14 度，此時保持適當的高度和動能很重要，太高太快著陸會出危險，太低太慢又可能在飛抵著陸場之前就斷了氣。航跡控制也非常重要，太空梭的滑翔性能很糟糕，著陸必須一次成功，沒有復飛的機會。離著陸場約 96 公里，速度 2.5 馬赫，高度 25,300 米時，地面和太空梭核對速度、航向、方位，並作必要的校正。離著陸場約 15 公里時，太空梭進入亞音速。在做完最後一個 S 形後，太空梭轉一個 180 度、直徑 10.9 公里的大彎，對準 12.8 公里外的跑道準備著陸，此時高度 3,048 米，速度 537 公里/小時，下滑角 19 度，下沉率 50.8 米/秒，下滑航線對準跑道前方 1.6 公里的地面，航跡必須穿過在水平和垂直方向不超過 300 米見方的一個虛擬空中窗口。高度下降到 500 米時，微波著陸系統幫助航天員對準跑道中線，開始預拉平，下滑角減到 1.5 度，此時速度 574 公里/小時，距離著陸還有 32 秒鐘。15 秒鐘後，預拉平完成，速度下降到 500 公里/小時，高度 41 米，放下起落架，太空梭開始感到地面效應。高度 27.4 米時，開始最終拉平，然後以 352-389 公里/小時的速度，在離跑道端線 762 米處主輪接地，前輪在滑跑速度降到 305 公里/小時也接地，滑跑總長 2,743 米。相比之下，以起落性能不佳而著稱的米格-21 早期型號，著陸速度「只有」300-320 公里/小時，而波音-747 的著陸速度更是低到 270 公里/小時。
太空梭要瞄準這兩個虛擬的圓筒之間的夾縫，高度、速度都要正好，否則要麼堅持不到跑道，要麼衝出跑道
著陸的最後階段的航線示意
在加利福尼亞愛德華空軍基地降落的航跡示意
顯然，太空梭的著陸過程相當複雜，帶來的控制問題也很嚴峻。現代控制系統的具體實現包括計算機硬體軟體和介面、各種感測器和執行機構，其理論基礎是控制理論。控制理論在本質上是數學的一部分，更具體地說是源於微分方程的一個分支，並融入了隨機過程、線性代數、最優化理論、離散系統、人工智慧等。中國人一向不怵數學，玩控制理論可以一把一把地甩，但是一個成功的控制系統一定是理論、數據、經驗和可靠的硬體軟體完美結合的產物。太空梭再入的黑障期間，地面控制信號不能上傳，機載設備也是睜眼瞎，只有陀螺導航系統繼續提供太空梭的三維加速度信號，將這個信號送入一個描述氣動減速和高度之間關係的數學模型，就可以實時估計太空梭的高度，有助於控制高度和滑翔距離。這個模型還提供狀態向量的誤差協方差矩陣，給出具有 95%可信度的誤差範圍，使預估和控制更可靠。這裡面涉及的數學理論也就是研究生課程水平，但其中包含的對高空大氣物理的深刻理解和無數次空間飛行所作的反覆實地數據採集，是用時間、心血和金錢實實在在地堆出來的。
相對來說，理論還是控制系統中較容易的一方面。計算機硬體和系統軟體的功能、可靠性和響應速度自然是首先要過的關，然而具體控制軟體的設計不是把數學理論編碼實現就完事了。數學控制理論都是建立在一定的假定基礎上的，計算機模擬受到同樣的限制，當實際情況不完全符合假定的條件時，或者部分感測器故障，有時數學解算會出現病態，控制解就要亂套，甚至使系統當機，所以必須有一整套監控程序，制止病態的出現，或迅速切換到另一套控制程序去。即使病態問題解決了，建立在數學模型基礎上而且受過模擬驗證的控制系統，也必定有一個實際調試的問題。調試不僅使理論貼近實際，也降低控制系統響應對非理想條件的敏感程度。這種調試有時在理論模型上進行，有時通過附加的經驗參數實現，這裡經驗就愈發顯得重要。
噓，終於回來了
太空梭雖然沒有實現用自身動力實現入軌和返回，但是太空梭提供的外大氣層高超音速飛行的實際經驗，是鑽在象牙塔里做理論和實驗研究無法得到的，這恐怕是太空梭對軍事航空最重要的意義。太空梭再入時，從夏威夷到佛羅里達只用了 30 分鐘不到，這種驚人的速度在軍事上的優越性不言而喻。換句話說，25 馬赫的高超音速戰略轟炸機可以在兩小時內抵達世界任何地點投射武器，幾乎是載人洲際導彈的速度，而且可重複使用，可以中途召回，極大地提高了戰略武器的使用靈活性。
未來的高超音速飛機，也許未來並不遙遠
NASA 的 X-43 計劃
2010 年太空梭將全部退役，美國人又回到了火箭發射的老路，圖為戰神載人火箭試射成功
除強大的動力外，高超音速飛機的主要難題就是熱障，前述等離子體技術也許是克服熱障的一個途徑。等離子體發生器可以通過高能激光或粒子束技術來實現。如果在飛機前進方向上注入等離子體，誘發形成激波，高超音速飛機就可以和航天器再入一樣，躲在激波尾流里，而讓激波錐承受氣動加熱的主體，解決熱障問題。為了將高超音速飛機完全掩蔽在激波錐里，機載等離子體發生器應該設置在機頭前方離機體一定距離的地方。位於紐約的 Rensselaer 理工學院實驗證明，這樣的離子探針可以使以 25 馬赫飛行的高超音速飛機表面的氣動熱環境和在大氣中以 3 馬赫飛行的飛機相似。更有甚者，如果將等離子體技術、飛碟式氣動外形和磁流體推進結合起來，理論上可以實現 50 馬赫的極高速飛行，當然這有點科幻的意思了。不過這其中部分技術已經實用化了，比如在火箭前端設置尖刺，可以有效地改善大氣層高速飛行時的激波形成，極大地降低粗短鈍頭飛行體的阻力，因為尖刺和火箭頭錐生成的激波是等效的。三叉戟潛射洲際導彈彈體受潛艇艇體直徑限制，只能又粗又短，所以在發射出水後在彈尖彈出一根尖刺，使導彈在大氣層中的氣動性能和尖細彈體相當，大大減小阻力。神舟 5 號頭部的逃生塔也有異曲同工之效。中國不必與美俄爭奪登陸火星等宇航桂冠，但中國務必在高超音速飛行領域堅持下去，這對爭奪未來的國防制高點至關重要。
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