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欢迎回家!航天员乘飞船返回地球,要闯几道关?

文汇 徽标 文汇 2021/9/16

▲三名宇航员即将返回载人飞船

神舟十二号飞船将于今天(9月17日)搭载三名航天员返回地球。

航天器返回地面不是一件容易的事,甚至有一定风险。这是因为航天器返回地面需由飞船系统、航天员系统、着陆场系统、测控系统等多个系统共同配合完成,尤其是在返回过程中飞船要完成一系列复杂动作,可靠性要求非常高,不能有任何一个环节出问题,否者功亏一篑。

另外,这次神舟十二号返回是首次从空间站返回地面,也是载人的返回舱首次在东风着陆场着陆,因而更加大了飞船的返回难度。

飞船返回有多难

简单地说,飞船返回地面是飞船脱离原来的飞行轨道,沿一条下降的轨道再入地球大气层,通过与空气摩擦减速,安全降落到地面上的过程。

这个过程极其复杂,这是因为飞船在轨道上是以8千米/秒的第一宇宙速度飞行,当需要它返回时必须制动减速,但仍将将以很高的速度冲向地球大气层,再入大气层时会和空气产生强烈的摩擦,从而在返回舱表面产生很高的温度,所以飞船的返回舱必须有可靠的防热措施,否则会在大气层中烧毁。

理论和实践均已证明,飞船要想安全的返回,起码要具备下面的条件

一是其控制系统要能够准确的调整飞船的姿态,使它从轨道上的飞行状态调整成返回姿态。

二是由于飞船是由三个舱段组成,并且只回收其中的返回舱,所以必须能够可靠的分离轨道舱和推进舱。

三是飞船要自带动力系统,使它能够脱离原来的飞行轨道进入返回轨道。

四是飞船返回舱要有良好的防热性能和隔热性能,使返回舱返回时不但不能被烧毁,而且应保证星内的温度不能过高,保障航天员的安全。

五是飞船上要有良好的减速和缓冲设备,例如降落伞等,使它安全的降落在地面。

六是飞船返回舱上还要有无线电信标机、闪光灯等标位装置,以便在接近地面及落地以后发出无线电波、声、光或颜色等信号,从而能够被搜救人员迅速找到和回收。

为此,“神舟”飞船的返回要闯过以下四关

一是调姿分离关,通过测控使飞船从运行姿态调整到返回姿态,其中包括让轨道舱与返回舱-推进舱组合体分离,返回舱与推进舱分离。

二是制动减速关,要使飞船返回地面,必须降低飞船的飞行速度,改变飞行方向,使其脱离原来的飞行轨道,进入下降飞行的轨道。其方法是通过开动推进舱的火箭发动机产生制动来降低飞船的速度。

三是再入火焰关,由于飞船返回时会与大气层剧烈摩擦,产生几千度的高温,因此必须采用先进的防热措施,否则钢筋铁骨也要化成灰烬。

四是降落着陆关。当返回舱下降到距地面大约10千米的高度时,要打开降落伞,使速度减至约6米/秒,在距地面1米时,安装在返回舱底部的缓冲火箭点火,使返回舱速度降到3米/秒以内的速度实现软着陆。

具体来讲,飞船返回可分为以下四个阶段。

第一阶段是制动离轨阶段。飞船在太空中运行最后一圈时,地面向飞船发出返回指令,飞船随即调整姿态,相对前进方向向左偏航(逆时针转)90°,变成横向飞行状态,这是第一次调整姿态;然后轨道舱与返回舱以1~2米/秒的相对速度分离;然后返回舱与推进舱组合体再向逆时针方向转90°,使推进舱朝前,这是第二次调整姿态;达到这种制动姿态后,飞船推进舱上的发动机点火工作,使飞船降低速度,进入到返回地球的轨道。

第二阶段是自由下降阶段。制动发动机关机后,返回舱与推进舱组合体进入自由下降阶段。在距离地面140公里时将推进舱分离掉,分离后推进舱在大气层中烧毁。返回舱继续下降,并在下降到距离地面约100千米高度前将返回舱调整到再入姿态,一般为1.5°~1.7°(飞船与当地水平方向的夹角)。因为如果返回舱的再入姿态角太大,返回舱在再入大气层时会由于速度太快,而使最大过载超标,人受不了,返回舱甚至会像流星一样在大气层中烧毁;如果再入姿态角太小,返回舱会从大气层边缘擦边而过,无法返回。

第三阶段是再入大气层阶段。返回舱在距离地面100千米时开始再入大气层时。再入飞行是返回飞行过程中环境最复杂、最恶劣的一段。因为返回舱以很高的速度进入大气层时,与大气剧烈摩擦,产生高温会使返回舱周围的气体电离,屏蔽电磁波,这时返回舱表面和大气层摩擦形成“黑障”,使返回舱在240秒内暂时与地面失去联系,直到距离地球约40千米处时黑障消失,返回舱与地面的联系又恢复了。

另外,在再入大气层的过程中,航天员要承受很大的过载。为此,从再入大气层到20千米高度,返回舱采用升力控制方式再入,以降低再入热流,使返回时的过载不大于4g,而且可以比较精确地返回到着陆场。飞行高度约为20公里时,返回舱升力控制结束。

第四阶段是回收着陆阶段。在距地面约10千米时,返回舱的下降速度为200米/秒,这时回收着陆系统开始工作。它由结构、降落伞、着陆缓冲、程序控制、火工装置、伞舱排水和标位等等子系统组成,有自动控制功能、减速功能、着陆缓冲功能和标位功等主要功能,主要任务是将再入大气层的返回舱,利用降落伞系统稳定其运动姿态、降低下降速度,并通过着陆缓冲的手段保证航天员软着陆。

  作者:庞之浩全国空间探测技术首席科学传播专家)

  编辑:许琦敏

责任编辑:任荃

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