概述

返回大气层（Atmospheric entry）是指人造或自然的物体从外空间进入大气层。在地球情况，是指从卡曼线（100km）的高度进入大气层。本文主要描述研究行星表面的工具控制重新进入大气的过程，但也包括不受控制的无意或偶然发生的情况，如人造卫星脱轨和由于轨道脱变落回行星的空间垃圾。

遭到这种过程情况的工具包括一些从轨道返回（空间飞船）和从外轨道（次轨道）的工具。这种过程最主要的要求是有特别方法避免由于空气动力学所发生的热损害工具。已发展了各种先进技术使返回大气层成为可能。

历史

最早提出物体从地球外进入大气层，其表面要有防护物概念的人是罗伯特·戈达德；他早在1920年提出；“速度每秒30公里流星进入大气时，其内部是冷的，但在一定范围内，由于表面突然受热而受腐蚀和脱落。为此，如物体的外表面有一层硬的不溶解的导热差的表面层，就可保护其内部”。1950年后，苏联和美国不断发展火箭及其回收技术。对发射物返回大气层问题进行了许多深入研究：主要包括发射物的形状和其表面的防护层二方面。

1951年美国的阿伦和埃格斯发现：从简单工程原理得出，迟钝形（高阻力）物体有最有效的防护层。阿伦二人指出，进入大气层物体所产生的热和它的阻力系数（drag coefficient）成反比。

内容

3.1进入物的形状

最简单对称形状是球或是球截面，它可是一个完全的球，或前身是球截面而后身为汇聚锥体。它可用牛顿冲击理论分析。早期苏联的金星探测器用纯球形，而美国阿波罗探测器则用前身球截面后身汇聚锥体。

球-园锥

球-园锥是一球截面付加一顿园锥，它的动力稳定性比球截面的好。这种形状的空间探测器已用来探测金星，木星和火星，并进入它们的大气层。

双园锥体

是一球-园锥附加一平截头体。它大大改进了飞行物的长度和直径比（L/D）。高L/D的双园锥设计是便于把人送到火星探测。

非对称形

非对称形已用作人操纵返回大气飞行器。如美国的航天飞机。

3.2冲击层气体物理

热防护设计估算冲击层峰值温度的近似经验法则是假定空气的温度等于进入的速度。但在飞行速度很高时，这样的法则是与实际不符的；返回时冲击层的空气变得游离和化学分解。化学分解需要各种物理模型描述冲击层的热和化学性质；有四种物理模型对航天工程设计热防护是重要的。

理想气体模型：理想气体理论对设计飞机是非常有用的。它假定气体是化学惰性的。这个假定在温度550度K以下一个大气压时是可以用的；但温度超过2000度K时就不合用了。对这样的防热设计就要用真实气体模型。

实际（平衡）气体模型：实际平衡气体模型假定，气体是进行化学反应的。也假定所有化学反应有足够时间进行反应完。且气体的所有成份有同样温度（这称为热力学平衡）。空气受一冲击波作用时，通过许多不同反应，空气由于被压缩和化学分解而变的超热。因此，进入器具受冲的瞬间会受实际气体效应影晌很大。但阿波罗-CM和航天飞机都用了不精确的实际气体模型和不正确的冲击时间设计。导致较窄的月亮返回行廊。