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認識航天：航天飛機．空間站知識與鑒賞（簡體書）
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商品簡介
名人/編輯推薦
序
目次
書摘/試閱
商品簡介
本書詳細介紹了航天運載火箭、航天飛機、空間站的結構、機械工作原理、動力系統、電子系統、通信與遙感系統等，使讀者對航天飛機和空間站的工作情況有一個比較全面的了解。同時，本書較詳細介紹了美國的航天飛機和阿波羅飛船以及前蘇聯的空間站的結構和運行情況。
本書適宜一般航天愛好者使用。
本書適宜一般航天愛好者使用。
名人/編輯推薦
《認識航天——航天飛機、空間站知識與鑒賞》編輯推薦：內容豐富、涵蓋火箭、航天飛機、空間站以及阿波羅計劃、火星計劃等航天器的基本知識。 作者權威、作者多年一直從事航天的科普工作，經驗豐富。
序
近年來，隨著經濟的飛速發展及航天科技的不斷進步，各國開始積極發展航天工程，如我國的“嫦娥計劃”、“北斗計劃”，美國的“火星計劃”等。一個國家的航天科技的發展水平，在一定程度上代表著這個國家的科技情況及國防情況。作為國家未來棟梁的中、小學生應該對當前的航天科技及基本的航天知識有所了解，在增長知識的同時也能豐富他們的課外知識以及課外生活。
本書主要分為三個部分，第一部分主要介紹火箭、航天飛機、空間站的歷史、基本原理、組成以及相應的設計方法與設計參數；第二部分介紹了一些著名的航天飛機及空間站，并對美國著名的“阿波羅”飛船及其相應的登月計劃進行了詳細說明，進而介紹了各種空間探測器的發展與功能；第三部分主要介紹了航天科技中的載人航天技術，其中重點介紹了各國曾經制定的或正在進行的載人航天計劃，同時也詳細介紹了航天技術未來的發展方向。本書可作為中、小學生在課后業余時間的科普讀物，也可作為各中、小學校科普課程的參考用書，也可以作為了解航天知識的基礎書籍。
在編寫過程中，我們力求內容豐富，知識結構安排合理，以難易結合、循序漸進的科學方法，統籌安排，合理設計，精心組織。同時，走訪了許多航天科技的學者，向他們了解目前航天技術最前沿的發展情況及發展趨勢。借此機會，對他們在此次編寫過程中給予的無私指導和寶貴建議給予特別感謝！
本書由哈爾濱工程大學多位老師合作編寫。各章編寫人的具體分工是：孫勇（第1、8、9、10章），徐俊（第2、4、6章），王永軍（第3、5、7章），由孫勇統稿。參加本書編寫工作的還有哈爾濱工程大學航天與建筑工程學院的華磊、毛海峰、王君柱、蘇毅、張海靜、祝玉芳等同志。
因編者水平所限，本書不當之處歡迎廣大同行批評指正。
孫勇
2013年8月
本書主要分為三個部分，第一部分主要介紹火箭、航天飛機、空間站的歷史、基本原理、組成以及相應的設計方法與設計參數；第二部分介紹了一些著名的航天飛機及空間站，并對美國著名的“阿波羅”飛船及其相應的登月計劃進行了詳細說明，進而介紹了各種空間探測器的發展與功能；第三部分主要介紹了航天科技中的載人航天技術，其中重點介紹了各國曾經制定的或正在進行的載人航天計劃，同時也詳細介紹了航天技術未來的發展方向。本書可作為中、小學生在課后業余時間的科普讀物，也可作為各中、小學校科普課程的參考用書，也可以作為了解航天知識的基礎書籍。
在編寫過程中，我們力求內容豐富，知識結構安排合理，以難易結合、循序漸進的科學方法，統籌安排，合理設計，精心組織。同時，走訪了許多航天科技的學者，向他們了解目前航天技術最前沿的發展情況及發展趨勢。借此機會，對他們在此次編寫過程中給予的無私指導和寶貴建議給予特別感謝！
本書由哈爾濱工程大學多位老師合作編寫。各章編寫人的具體分工是：孫勇（第1、8、9、10章），徐俊（第2、4、6章），王永軍（第3、5、7章），由孫勇統稿。參加本書編寫工作的還有哈爾濱工程大學航天與建筑工程學院的華磊、毛海峰、王君柱、蘇毅、張海靜、祝玉芳等同志。
因編者水平所限，本書不當之處歡迎廣大同行批評指正。
孫勇
2013年8月
目次
1運載火箭和助推火箭
1.1 火箭的飛行原理001
1.1.1 中國古代火箭001
1.1.2 現代火箭飛行原理002
1.1.3 現代火箭的先驅003
1.2 火箭整體設計004
1.2.1 火箭總體設計方案的形成004
1.2.2 火箭的結構組成006
1.3 發動機與燃料007
1.3.1 火箭發動機的基本原理007
1.3.2 火箭發動機的工作循環理論009
1.3.3 世界著名火箭發動機及參數010
1.4 控制系統016
1.4.1 測試發射控制系統016
1.4.2 飛行控制系統018
1.5 輔助系統020
2航天飛機
2.1 航天飛機基本原理023
2.2 軌道器的基本設計原理024
2.3 外儲箱與助推器025
2.3.1 外儲箱025
2.3.2 助推器026
2.4 通信系統與遠程控制系統028
2.5 航天飛機的發射與返回030
2.5.1 發射前準備030
2.5.2 發射過程031
2.5.3 航天飛機的返回技術032
2.6 航天飛機與空間站交會對接036
2.6.1 航天飛機與空間站交會對接概述036
2.6.2 航天飛機與“和平號”首次交會對接039
2.6.3 航天飛機與“和平號”第二次交會對接040
2.6.4 航天飛機與“和平號”對接程序040
2.6.5 航天飛機與空間站交會對接的啟示042
3空間站
3.1 空間站的功能與整體設計044
3.1.1 空間站的概念044
3.1.2 空間站的功能045
3.1.3 空間站的整體設計046
3.2 空間站結構與動力設施047
3.2.1 空間站結構047
3.2.2 空間站動力設施048
3.3 生命保障設施與生活區048
3.3.1 環境控制分系統048
3.3.2 大氣再生分系統049
3.3.3 水的供應和處理分系統050
3.3.4 廢物處理分系統051
3.3.5 熱控分系統051
3.3.6 居住分系統051
3.3.7 艙外活動分系統052
3.4 科研設施與工作區052
3.4.1 生物學實驗裝置052
3.4.2 生命科學與材料科學研究053
3.4.3 對地觀測和天文觀測研究054
3.5 通信與跟蹤系統056
3.5.1 通信設施組成056
3.5.2 空間站通信信號處理過程057
3.5.3 空間站的空對地通信系統058
4世界著名航天飛機
4.1 “企業號”061
4.1.1 簡介061
4.1.2 構造062
4.1.3 “企業號”進行的ALT測試任務062
4.1.4 航天飛機現況064
4.2 “哥倫比亞號”065
4.2.1 簡介065
4.2.2 飛行事故066
4.2.3 失事影響068
4.3 “挑戰者號”068
4.3.1 簡介068
4.3.2 歷史069
4.3.3 失事過程071
4.4 “發現號”072
4.4.1 簡介072
4.4.2 完成的主要任務073
4.4.3 退役074
4.5 “亞特蘭蒂斯號”076
4.5.1 簡介076
4.5.2 歷次任務076
4.6 “奮進號”079
4.6.1 簡介079
4.6.2 誕生歷史080
4.6.3 歷次任務081
5世界著名空間站
5.1 禮炮系列空間站083
5.1.1 “禮炮號”空間站的發展歷程084
5.1.2 “禮炮號”空間站的結構組成085
5.1.3 “禮炮號”空間站的運行過程087
5.2 “天空實驗室”空間站090
5.2.1 “天空實驗室”簡介090
5.2.2 “天空實驗室”空間站的結構091
5.2.3 “天空實驗室”空間站取得的成果092
5.3 “和平號”空間站093
5.3.1 “和平號”空間站簡介093
5.3.2 “和平號”空間站結構094
5.3.3 “和平號”空間站取得的成果096
5.4 “自由號”空間站096
5.4.1 “自由號”空間站計劃提出096
5.4.2 “自由號”空間站具體設想098
5.5 國際空間站100
5.5.1 國際空間站建造歷史100
5.5.2 國際空間站結構102
5.5.3 國際空間站的功能103
5.6 中國空間站計劃104
5.6.1 中國空間站計劃具體步驟104
5.6.2 中國空間站的初步設計106
5.6.3 中國空間站的意義106
6阿波羅飛船與登月計劃
6.1 登月方案108
6.2 火箭及飛船系統109
6.2.1 火箭剖析109
6.2.2 飛船構造109
6.3 載人登月110
6.3.1 試驗工作110
6.3.2 輔助計劃112
6.3.3 成功記錄112
7空間探測器
7.1 月球探測器117
7.1.1 簡介117
7.1.2 飛行軌道類型117
7.1.3 飛行軌道設計限制條件119
7.1.4 構型設計的特點120
7.2 近地行星探測器121
7.2.1 概述121
7.2.2 第一個行星探測器——“水手2號”123
7.3 太陽與彗星探測器125
7.3.1 太陽探測器125
7.3.2 彗星探測器126
7.4 外行星探測器127
7.4.1 “旅行者1號”探測器127
7.4.2 “旅行者2號”探測器128
8載人太空飛行競賽
8.1 開創性的“東方”計劃130
8.1.1 東方計劃的“東方號”飛船131
8.1.2 “東方號”飛船構造132
8.1.3 “東方號”飛船的飛行記錄133
8.2 遲到一步的“水星”計劃134
8.2.1 “水星”計劃簡介134
8.2.2 “水星”計劃中的“水星”飛船135
8.2.3 “水星”計劃中推進器的研究136
8.2.4 “水星”計劃中的宇航員137
8.2.5 “水星”計劃的影響138
8.3 匆忙上陣的“上升”計劃139
8.3.1 “上升號”飛船的歷史背景139
8.3.2 “上升號”飛船結構140
8.3.3 “上升號”飛船任務141
8.4 成就卓越的“雙子星”計劃142
8.4.1 “雙子星”計劃簡介142
8.4.2 “雙子星”系列飛船歷史142
8.4.3 “雙子星”飛船結構143
9中國航天技術發展歷程
9.1 中國航天發展事業的宗旨、原則145
9.1.1 中國航天事業的發展宗旨146
9.1.2 中國航天事業的發展原則146
9.2 中國航天事業的發展現狀147
9.2.1 空間技術148
9.2.2 空間應用150
9.2.3 空間科學153
10航天科技的未來
10.1 太空城與太空移民154
10.2 太空基地和改造火星156
10.2.1 太空港156
10.2.2 太空橋156
10.2.3 改造火星156
10.3 太空工業化157
10.3.1 太陽能衛星電站157
10.3.2 太空加油站158
10.3.3 太空工廠158
10.3.4 太空農場158
1.1 火箭的飛行原理001
1.1.1 中國古代火箭001
1.1.2 現代火箭飛行原理002
1.1.3 現代火箭的先驅003
1.2 火箭整體設計004
1.2.1 火箭總體設計方案的形成004
1.2.2 火箭的結構組成006
1.3 發動機與燃料007
1.3.1 火箭發動機的基本原理007
1.3.2 火箭發動機的工作循環理論009
1.3.3 世界著名火箭發動機及參數010
1.4 控制系統016
1.4.1 測試發射控制系統016
1.4.2 飛行控制系統018
1.5 輔助系統020
2航天飛機
2.1 航天飛機基本原理023
2.2 軌道器的基本設計原理024
2.3 外儲箱與助推器025
2.3.1 外儲箱025
2.3.2 助推器026
2.4 通信系統與遠程控制系統028
2.5 航天飛機的發射與返回030
2.5.1 發射前準備030
2.5.2 發射過程031
2.5.3 航天飛機的返回技術032
2.6 航天飛機與空間站交會對接036
2.6.1 航天飛機與空間站交會對接概述036
2.6.2 航天飛機與“和平號”首次交會對接039
2.6.3 航天飛機與“和平號”第二次交會對接040
2.6.4 航天飛機與“和平號”對接程序040
2.6.5 航天飛機與空間站交會對接的啟示042
3空間站
3.1 空間站的功能與整體設計044
3.1.1 空間站的概念044
3.1.2 空間站的功能045
3.1.3 空間站的整體設計046
3.2 空間站結構與動力設施047
3.2.1 空間站結構047
3.2.2 空間站動力設施048
3.3 生命保障設施與生活區048
3.3.1 環境控制分系統048
3.3.2 大氣再生分系統049
3.3.3 水的供應和處理分系統050
3.3.4 廢物處理分系統051
3.3.5 熱控分系統051
3.3.6 居住分系統051
3.3.7 艙外活動分系統052
3.4 科研設施與工作區052
3.4.1 生物學實驗裝置052
3.4.2 生命科學與材料科學研究053
3.4.3 對地觀測和天文觀測研究054
3.5 通信與跟蹤系統056
3.5.1 通信設施組成056
3.5.2 空間站通信信號處理過程057
3.5.3 空間站的空對地通信系統058
4世界著名航天飛機
4.1 “企業號”061
4.1.1 簡介061
4.1.2 構造062
4.1.3 “企業號”進行的ALT測試任務062
4.1.4 航天飛機現況064
4.2 “哥倫比亞號”065
4.2.1 簡介065
4.2.2 飛行事故066
4.2.3 失事影響068
4.3 “挑戰者號”068
4.3.1 簡介068
4.3.2 歷史069
4.3.3 失事過程071
4.4 “發現號”072
4.4.1 簡介072
4.4.2 完成的主要任務073
4.4.3 退役074
4.5 “亞特蘭蒂斯號”076
4.5.1 簡介076
4.5.2 歷次任務076
4.6 “奮進號”079
4.6.1 簡介079
4.6.2 誕生歷史080
4.6.3 歷次任務081
5世界著名空間站
5.1 禮炮系列空間站083
5.1.1 “禮炮號”空間站的發展歷程084
5.1.2 “禮炮號”空間站的結構組成085
5.1.3 “禮炮號”空間站的運行過程087
5.2 “天空實驗室”空間站090
5.2.1 “天空實驗室”簡介090
5.2.2 “天空實驗室”空間站的結構091
5.2.3 “天空實驗室”空間站取得的成果092
5.3 “和平號”空間站093
5.3.1 “和平號”空間站簡介093
5.3.2 “和平號”空間站結構094
5.3.3 “和平號”空間站取得的成果096
5.4 “自由號”空間站096
5.4.1 “自由號”空間站計劃提出096
5.4.2 “自由號”空間站具體設想098
5.5 國際空間站100
5.5.1 國際空間站建造歷史100
5.5.2 國際空間站結構102
5.5.3 國際空間站的功能103
5.6 中國空間站計劃104
5.6.1 中國空間站計劃具體步驟104
5.6.2 中國空間站的初步設計106
5.6.3 中國空間站的意義106
6阿波羅飛船與登月計劃
6.1 登月方案108
6.2 火箭及飛船系統109
6.2.1 火箭剖析109
6.2.2 飛船構造109
6.3 載人登月110
6.3.1 試驗工作110
6.3.2 輔助計劃112
6.3.3 成功記錄112
7空間探測器
7.1 月球探測器117
7.1.1 簡介117
7.1.2 飛行軌道類型117
7.1.3 飛行軌道設計限制條件119
7.1.4 構型設計的特點120
7.2 近地行星探測器121
7.2.1 概述121
7.2.2 第一個行星探測器——“水手2號”123
7.3 太陽與彗星探測器125
7.3.1 太陽探測器125
7.3.2 彗星探測器126
7.4 外行星探測器127
7.4.1 “旅行者1號”探測器127
7.4.2 “旅行者2號”探測器128
8載人太空飛行競賽
8.1 開創性的“東方”計劃130
8.1.1 東方計劃的“東方號”飛船131
8.1.2 “東方號”飛船構造132
8.1.3 “東方號”飛船的飛行記錄133
8.2 遲到一步的“水星”計劃134
8.2.1 “水星”計劃簡介134
8.2.2 “水星”計劃中的“水星”飛船135
8.2.3 “水星”計劃中推進器的研究136
8.2.4 “水星”計劃中的宇航員137
8.2.5 “水星”計劃的影響138
8.3 匆忙上陣的“上升”計劃139
8.3.1 “上升號”飛船的歷史背景139
8.3.2 “上升號”飛船結構140
8.3.3 “上升號”飛船任務141
8.4 成就卓越的“雙子星”計劃142
8.4.1 “雙子星”計劃簡介142
8.4.2 “雙子星”系列飛船歷史142
8.4.3 “雙子星”飛船結構143
9中國航天技術發展歷程
9.1 中國航天發展事業的宗旨、原則145
9.1.1 中國航天事業的發展宗旨146
9.1.2 中國航天事業的發展原則146
9.2 中國航天事業的發展現狀147
9.2.1 空間技術148
9.2.2 空間應用150
9.2.3 空間科學153
10航天科技的未來
10.1 太空城與太空移民154
10.2 太空基地和改造火星156
10.2.1 太空港156
10.2.2 太空橋156
10.2.3 改造火星156
10.3 太空工業化157
10.3.1 太陽能衛星電站157
10.3.2 太空加油站158
10.3.3 太空工廠158
10.3.4 太空農場158
書摘/試閱
航天飛機在起飛入軌的上升段使用火箭技術，軌道飛行段運用航天器技術，而再入大氣層后的滑翔飛行和水平著陸段，則采用典型的航空技術。在航天飛機的整個飛行過程中，起飛和返回最為關鍵，也最具風險。相比而言，返回較起飛更為復雜，包括軌道器脫離繞地軌道，再入大氣層和著陸進入機場三個飛行階段，是控制和操縱航天飛機最為復雜的過程。航天飛機的氣動設計是一個極富挑戰的技術難題。航天飛機的水平著陸，實際上是無動力的滑翔著陸。換句話說，航天飛機一旦脫離地球軌道、進入大氣層，就是一錘子買賣，不可能復飛了，必須降落下來，最好就是指定地點。這要求航天飛機具有良好的升阻比，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，航天飛機要有良好的低空低速性能。理想情況下，這要求采用具有較高升阻比的細長機翼。但是，航天飛機在返回大氣層之初，速度可以高達24馬赫(1馬赫等于每小時1126公里)，這又要求航天飛機具有良好的極高速性能，所以這要求航天飛機最好采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后，航天飛機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，航天飛機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(見圖2.12)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，如圖2.13。航天飛機的最后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范圍的氣動性能，如圖2.14。
航天飛機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，航天飛機應該采用尖銳的頭部。但理論計算和實驗證明，載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(美國國家航空咨詢委員會，即美國國家航空航天局的前身)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墻一樣，航天器則在激波錐的尾流中前行。由于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。于是，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，并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。這就是宇宙飛船、航天飛機、洲際導彈的頭部都采用鈍頭錐體的原因。事實上，如果能夠確保航天器在再入過程中不至于翻滾，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。不同之處在于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，航天飛機再入段初期，頭錐前方幾米外激波前沿的溫度可達5300℃，但機體表面“僅僅”承受1260℃左右，用隔熱的陶瓷瓦就可以了。
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，以減少暴露于氣動加熱的時間和降低累計的加熱量；同時還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。
航天飛機裝備有減速火箭，但減速火箭的減速作用是有限的，只能將航天飛機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。減速火箭不能對載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。
載入前，航天飛機尾向前、背朝下倒飛，在指定的離軌時刻，點燃減速火箭約2.5min，把速度降下約330km／h，使航天飛機的速度所帶來的離心力不再和地球引力相抵，從而開始載入過程，約27min后開始進入大氣層。這一階段，航天飛機和一塊隕石沒有太大的差別。從進入大氣層開始，航天飛機離著陸還有約30min。減速火箭熄火后，航天飛機開始倒翻筋斗調整姿態，最終頭向前、背朝天以約40。仰角向前飛行。在進入大氣層時，高度約120km，速度約24馬赫，距離著陸場約8150km。由于太陽活動和高層大氣活動的緣故，航天飛機每次載入的細節總有細微的差異。在載入過程中，動壓達到470Pa時，副翼開始生效，滾轉控制火箭關閉；動壓達到940Pa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13720m高度時才關閉，改由機翼和垂尾的舵面控制。P32-34
航天飛機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，航天飛機應該采用尖銳的頭部。但理論計算和實驗證明，載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(美國國家航空咨詢委員會，即美國國家航空航天局的前身)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墻一樣，航天器則在激波錐的尾流中前行。由于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。于是，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，并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。這就是宇宙飛船、航天飛機、洲際導彈的頭部都采用鈍頭錐體的原因。事實上，如果能夠確保航天器在再入過程中不至于翻滾，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。不同之處在于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，航天飛機再入段初期，頭錐前方幾米外激波前沿的溫度可達5300℃，但機體表面“僅僅”承受1260℃左右，用隔熱的陶瓷瓦就可以了。
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，以減少暴露于氣動加熱的時間和降低累計的加熱量；同時還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。
航天飛機裝備有減速火箭，但減速火箭的減速作用是有限的，只能將航天飛機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。減速火箭不能對載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。
載入前，航天飛機尾向前、背朝下倒飛，在指定的離軌時刻，點燃減速火箭約2.5min，把速度降下約330km／h，使航天飛機的速度所帶來的離心力不再和地球引力相抵，從而開始載入過程，約27min后開始進入大氣層。這一階段，航天飛機和一塊隕石沒有太大的差別。從進入大氣層開始，航天飛機離著陸還有約30min。減速火箭熄火后，航天飛機開始倒翻筋斗調整姿態，最終頭向前、背朝天以約40。仰角向前飛行。在進入大氣層時，高度約120km，速度約24馬赫，距離著陸場約8150km。由于太陽活動和高層大氣活動的緣故，航天飛機每次載入的細節總有細微的差異。在載入過程中，動壓達到470Pa時，副翼開始生效，滾轉控制火箭關閉；動壓達到940Pa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13720m高度時才關閉，改由機翼和垂尾的舵面控制。P32-34
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