前言
雖然我現在在坎巴拉中連空間站都沒做出來，也從沒有從Mun上安全返回過，但是提前準備自己的航天器設計是沒錯的——昨晚做了一晚上，全都不喜歡，所以化了點時間把能想到的宇宙飛船和着陸器設計都列舉出來。再考慮該做哪個！！！
空間站和行星際飛船
先不談具有載人返回能力的飛船，只談用來居住、實驗、儲存等用途的艙段。
無論是國際空間站，還是中國要建的天宮空間站，無論是設計遠航的深空之門，還是電影火星救援中赫爾墨斯。都存在一個問題，不是擁不擁有旋轉的環形設計，而是空間站的艙段間的大小是固定的。單個艙段的大小是有限的，就算是用充氣的太空站，其中通過的物體的大小都受對接口的大小限制。
和平號空間站
國際空間站ISS
《地形引力》中的天宮
待建的天宮
《火星救援》赫爾墨斯
另外，有T型或者十字型對接的不適合行星際航線，所以通常設計成長條型，帶來的結果是非常長，只能通過增加長度來提高容量。
待建的深空之門
美國計劃的登陸火星飛船（兩段）
美國計劃的登陸火星飛船（多段）
星際穿越中的環形空間站
這個就比較有意思了，赫爾墨斯上也是通過多個艙段級聯來創造環形，而這個就只有環形。問題也有，空間似乎不能拓展。
綜上，一般設計宇宙飛船（指空間站）還是做成長條形。長條也比較好加速？如果要做更大型的結構的話，我覺得需要做成口字型，T型十字型都不太靠譜，要是對接口斷了就GG。口字型可以有多個對接口分擔慣性力的影響，增加穩定性。
宇宙飛船
現在的載人宇宙飛船一般是三個艙段：軌道艙、指令艙（返回艙）、推進艙（設備艙）。聯盟號的叫法與神舟號叫法有點差別。
前面兩個艙是可以住人的，後面的是用來推進飛船等功能的。比如神舟飛船的宇航員，就是在軌道艙（生活艙）裏工作、生活、吃飯、清潔……
三艙構型是受火箭運行的尺寸限制，當有能力建造直徑更大的火箭後，返回艙就可以做的足夠大，沒必要有軌道艙了。比如中國新型宇宙飛船、俄羅斯新型宇宙飛船、美國獵波音的Starliner、獵戶座飛船、龍飛船二號這些載人飛船都是兩艙構型的。
龍飛船二號
Starliner
獵戶座
中國新型載人飛船
可拆卸的防護層
對於不載人的宇宙飛船就沒那麼多要求了，只是個普通的、只在太空起作用的僅僅做個盒子就行。而對於貨運飛船，要求就稍微高一點，但也沒載人的飛船要求高。比如日本貨運飛船HTV、天鵝座貨運飛船，單單留個艙段存放物品就行，再給艙段加個推力。
日本HTV貨運飛船
天鵝座貨運飛船
除了單艙段的貨運飛船，還有兩艙段的貨運飛船。美國龍飛船一號，中國天舟貨運飛船。至於三艙的飛船用於貨運，就只有俄羅斯的聯盟號了。
龍飛船一號
天舟一號
航天器着陸地球的手段
通常的着陸器都是指的旋轉對稱體。
對有空氣的星球，比如地球，航天器返回載入分爲彈道式、彈道升力式和升力式三種方式。這是根據航天器在再入段的不同啓動特性來分類的。在大氣層中，航天器所受空氣動力分爲沿速度反方向的阻力D和垂直於速度方向的升力L兩個分量。
升力和阻力之比是升阻比，升阻比在0~0.1之間的是彈道式返回再入。升阻比在0.1 ~0.5之間的是彈道升力式返回再入。升阻比大於0.5是升力式返回再入。
彈道式返回再入
幾乎沒有升力，航天器一旦脫離運行原來的運行軌道，就沿着預定的彈道無控制低返回地面。
優點是沒有升力，所以航天器氣動外形簡單，常常是軸對稱旋轉體外形。問題是無控，再入過程中沒有矯正落點位置偏差的可能，回收區域大。
彈道升力式返回再入
航天器再入時具有一定升力，這可以增加再入走廊的寬度，改善再入狀況。在相同的再入條件下，增大升阻比還可以減小最大過載值和降低熱流密度峯值。
在再入過程中，以一定的邏輯程序控制滾動角，改變升力垂直和水平分量，可以控制航天器在大氣中的運動軌道。
採用彈道升力式可以調整着陸點，落點偏差小，可以控制在幾千米以內。
彈道式返回再入中還有一種特別的方式，跳躍式返回再入。由交替的彈道式飛行段和跳躍式飛行段構成。
航天器在進入大氣層一段時間後，調整升力，使航天器升力再次衝出大氣層，做一段彈道式飛行，然後再進入大氣層。也可以多次出入大氣層，每次進入一次就利用大氣進行了一次減速。
（對於進入大氣層後雖然不再跳出大氣層，但是靠升力使再入軌道高度有較大起伏變化的軌道，也被稱爲跳躍式軌道）
升力式返回再入
上面兩種方式都沒有或有很少的升力，所以只能垂直降落。在接近地面前，還需要一套降落傘系統來來統一減速，才能保證安全着陸。
當要求航天器水平着陸時，必須給航天器足夠大的升力，使再入軌道，特別是着陸段平緩到適合水平着陸的程度。能夠實現水平水平着陸的航天器升阻比大於1，這樣大的升力不能再用偏離對稱中心軸線配置質心的方法獲得。所以升力式航器不能使用旋轉體。只能採用不對稱的升力體。
升力體一般是帶翼的，這樣可以不用使體型複雜化，升力由體型和翅膀一同提供。
着陸火星的手段
| 海盜號 | 鳳凰號 | 好奇號 |
|---|
| 任務段 | 高度/km | 任務段 | 高度/km | 任務段 | 高度/km |
|---|---|---|---|---|---|
| 升力進入段 | 125~6 | 彈道進入 | 125~12.9 | 姿態保持 | 126~52 |
| 傘降過程 | 6~1.4 | 傘降過程 | 12.9~0.94 | 升力控制 | 52~14 |
| 自由落體(2s) | 1.4~1.3 | 自由落體(3s) | 0.927~0.76 | 傘降過程 | 14~2 |
| 重力轉彎 | 1.3~18.2e-3 | 重力轉彎 | 0.76~52e-3 | 動力接近段 | 2~0.105 |
| 勻速下降段 | 18.2e-3~0 | 勻速下降段 | 52e-3~0 | 勻速下降段 | 0.105~70e-3 |
| 減速下降段 | 70e-3~18.6e-3 | ||||
| 懸停分離段 | 18.6e-3 |
重力轉彎是什麼？
安全着陸的基本要求是着陸器能以垂直的姿態，很小的垂直速度和零水平速度登陸，所以這種制導方法就出來了。重力轉彎是着陸過程中通過制動系統使制動加速度方向與速度方向始終相反，一段時間後，着陸器就會在重力的作用下變成垂直狀態。
假設飛行軌跡下的火星表面是均勻引力場。引力加速度大小是,着陸器速度大小,發動機輸出的推重比是,速度方向與重力方向夾角是,終端速度
那麼轉彎過程的動力學方程有
前面講了如果是利用啓動外形減速的話，可以採用的三種方案。都有一個共同點，一是靠航天器硬抗，二是最後的着陸靠降落傘系統或者滑行着陸（升力體）。這兩種也可以考慮作爲火星着陸的手段。以下的方案只作爲着陸火星的部分過程的解決方案。
防熱大底
一般都是需要防護罩的，但是要不要大底就不一定了。除了防熱大底，還有充氣的防護罩。
美國幾次登陸火星氣動減速段都用到了大底。只是在着陸段又給拋掉了，說明最後着陸時的選擇比氣動減速時的選擇更多樣。
降落傘
降落傘在氣動減速後期打開，但是單單用降落傘還是不足以安全降落火星。最後着陸部分還是需要用其他方案。
反推
中國2020年的火星登陸計劃就是降落傘+反推的，但是考慮到火星條件複雜，第一次計劃就登陸火星還是太冒險了。
龍飛船二號的反推實驗
這個實驗相當帥氣，美國和我國的差距還是太大了。spacex想依靠反推來替代降落傘着陸，帥是帥，單單靠降落傘的話，攜帶的燃料太多了。如果載人的話就很危險。
至於爲什麼我國新型宇宙飛船也有反推，俄羅斯聯盟號也有反推就不危險嗎？那是因爲反推只作爲最後的手段。降落傘減速段還是有的，所以相對龍飛船二號攜帶的燃料會比較少。
這不，前幾個月，這麼帥氣的龍飛船二號就給炸了。
氣囊緩衝
勇氣號與機遇號都是通過這種手段登陸的，防熱大底打開後，再打開反推進行懸停，火星車與包裹它的裝置被釋放出來。氣囊充氣，充完後降落傘斷開，氣囊被扔到地上。
包裹火星車的裝置是四面體，一個底面，三個圍面。無論最後哪一面朝下，打開後都能讓底面朝下。當然，先泄氣的。
懸停吊車
好奇號的登陸過程與機遇號、勇氣號的區別就在最後這個吊車部分。另外兩個是給氣囊充氣後把氣囊扔下，這個是用吊繩把車放下。
火星真有這麼危險嗎？
爲什麼最後着陸單單用反推不行呢？海盜號和鳳凰號都是這樣的，火星車也可以放在着陸器上嘛！
我覺得，主要是怕把車炸了。如果着陸器最後出了點問題，採用氣囊或者吊車都可以減少這種問題的影響。安全把車給送到。
氣囊減速（充氣護盾）
現在是2019年9月13日，這種方案5、6年前我就在新聞上看到了——在地面上裝個橫向加速的火箭，把這個着陸器放到高空，打開降落傘和反推和氣囊（也許）。火箭和着陸器之間通過一個拐角連了一根繩子，火箭加速（火箭橫向移動，帶動着陸器高速向下運動）後把着陸器高速待到地面去，營造一種火星着陸的條件。
現在這個時候，這個東西還沒上天。也許是爲了decades後的載人登陸火星做準備。
滑翔
這是太空船二號，幾年前墜毀了。作爲一個太空旅行的亞軌道飛船，它先由飛機帶到高空，之後飛機在高速狀態下把太空船二號放下，太空船二號點燃引擎進行二次加速到80km左右（最高高度）。
火星着陸也有可能採用滑翔的方案。
太空船二號與搭載它的雙體飛機——白色騎士一號
被其他飛行器捕捉
這個是電子火箭公司計劃的火箭回收方案，由一個直升機把着陸的火箭捕捉回去。
火星……也許也能用這個吧。前人種樹，後人乘涼。有了其他準備，之後的着陸器着陸可能就方便多了這個道理。
太空電梯
太空電梯在地球上是肯定不能建設了，但是可以在外星球做。可以先拿月亮做個試驗——在月球上建設一條連接行星際旅行飛船的補給站和月球地表的太空電梯，這樣既減少了着陸月球又返回的消耗，有給在其他星球上建設太空電梯提供了參考，還可以加速人類成爲太陽系文明。
不斷補充防護罩
這是《安德的遊戲》中的一個創意，由大量的小飛行器圍繞在飛船身邊，代替防護罩隔熱。在這個作品中飛行器還有一個作用是包含飛船不受外邊外星飛船的破壞。
火箭回收的手段
反推+柵格舵+RCS
目前最牛B的spacex採用的回收方式，也是世界上最成熟的火箭回收。反推減速，RCS進行滾控，柵格舵輔助調整姿勢。真是科幻般的場景，記得1幾年在新聞上看到蚱蜢火箭升上去又落下來的時候，那震撼高於看到了阿特拉斯機器人。
反推+RCS
藍色起源的JB火箭回收採用的方式，頭部有一個開口，RCS發動機在裏面，着陸後這幾個口就封閉起來了。
RLV-T5這個小小的酒精火箭也沒有用柵格舵，目前其最高紀錄是300米。下一枚火箭RLV-T6將達到亞軌道，火箭也將換成九州雲箭的甲烷變推力發動機。
柵格舵這個東西翎客航天以後會在NewLine-Baby上會用的（宣傳片上有）。
降落傘+RCS
這是電子實驗室將要採用的回收方法。這枚火箭不會進行反推，先高速穿越大氣層後由降落傘減速，之後用直升機過去抓住。這種方案只實用與小火箭，也是爲了對抗spacex，如果它伸手到這類市場的話。
公司老闆說這個回收成本不會比spacex僱傭船來回收少太多，所以他們搶的不是便宜，搶的是時間——許多任務是顧客因爲時間緊急而換到電子實驗室的。
Just柵格舵
火箭一級被動再入，柵格舵用來控制轉向，最終達到控制落點的目的。這也不算是回收，爲了彌補火箭墜入內陸做出的努力。
反推+控制面
歐洲的RETALT計劃，反推輔助着陸計劃。將級間段摺疊展開變成控制面，類似於風帆。
滑翔
這是一款乘波體，是高速飛行試驗火箭，據說有驗證滑翔回收。
螺旋槳(滑翔)
澳大利亞衛星發射服務公司（ASLSC）針對小型衛星的發射市場，也研製了一種稱作“澳大利亞運載火箭”（ALV）的系統，它不僅能將重量小於150kg的小衛星送入距地球570km的太陽同步軌道（SSO），而且能降低發射成本。
降落傘+用頭來硬抗
忘記了哪個PDF中看到過的，在網上找了半天都沒配圖。這是俄羅斯的一個計劃，回收火箭助推器。
火箭主推機分離後靠降落傘把助推器調個方向，使發動機朝上，頭朝下。落地時靠助推器的結構形變來吸收衝擊力。
Just降落傘
六月29號真的有一家美國的EXO公司進行過火箭的亞軌道回收實驗，用控制傘來降落。
後記
目前中國有柵格舵的火箭有三款，不算落點控制試驗的長征二號丙的話，還有兩款，都是輔助飛行的，並不用於回收，當然這可能都是爲回收做準備。這兩款款火箭分別是雙曲線一號（命名似乎是因爲衛星的軌道一個部分很像雙曲線）、快舟一號甲（固體火箭，快是特點，是DF再就業版本 ）
雙曲線一號
快舟一號甲
參考《航天器動力學與控制》