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调姿 下降 放伞 着陆 “四步走”解析神舟十二返回过程!

科普中国-科普融合创作与传播 2021-09-22 作者:川陀太空

  2021917日,神舟十二载人飞船返回舱在东风着陆场顺利着陆,在完成3个月的在轨驻留任务之后,太空出差三人组顺利到家

  

  返回舱返回地球的过程充满变数和危险,特别是在穿越大气层之前。这时的返回舱需要完成多项指令操作,并且以合适的角度切入大气层,才能安全返回。

    

  神舟十二号的隔热大顶是最耐高温的部分 (图片来源:央视网)

  而穿过大气层时,舱体隔热大顶的温度可达到2200K2600K这段时间还会干扰通信。“太空出差三人组”真是历经艰难险阻,才回到了家。

  经过前期的实际验证,神舟系列飞船的技术已经非常成熟。神十二的成功着陆是对神舟飞船返回技术的再次验证,同时也展现着东风着陆场保障状态的可靠与完备。

  “四步走”——神十二号的返回过程!

    

  神舟十二号组合体展示 (图片来源:国家航天局)

  在正式“归家”前,神舟十二号的返回过程已经经过了十多次的实战演练,相关技术已经相当成熟。

  完整的返回过程可以总结为“四步走”。

  第一个阶段是神舟十二号脱离空间站,调整姿态

  首先,神舟十二号逆时针转动90°,原来在前边的轨道舱调整到左侧,推进舱变为右侧,变成横向飞行。此步骤的目的是轨道舱分离神舟十二号由三舱组合体变成了两舱组合体。

  而后,再逆时针旋转90°,变成推进舱在前,返回舱在后的姿态,与脱离空间站时的朝向刚好相反。此步骤是神舟十二号第二次调姿,以便让推进舱朝前,并在调整俯仰角之后启动发动机,利用发动机制动降低速度。

  随后,神舟十二号进入返回第二阶段,返回舱和推进舱的双舱组合进行无动力自由下降。

  双舱从393公里高度开始下降,而到140公里高度时,推进舱会和返回舱分离,此时的返回舱又要选择好正确的再入姿态角,以便刚好切入地球大气层。

  再入姿态角可很有讲究,如果角度太大,那么飞船速度就不容易控制,如果角度太小,会被稠密的大气层给弹回,就像打水漂那样。

  第三个阶段是再入大气层。

  此时返回舱高度在100公里左右,以约7公里每秒的速度进入地球大气层,这时候返回舱与大气层剧烈摩擦,在地面上看就像是流星一般。

  

  经历高温,烧蚀涂料烧掉之后留下的黑色痕迹 (图片来源:央视截图)

  返回舱前端的隔热大顶温度为2200K2600K,这个温度都与航空发动机中燃烧室的温度相当。

  返回舱通过烧蚀材料来对抗高温,需要控制好姿态保持受热符合防热设计,此时,返回舱也会被等离子体层包裹,形成黑障。当高度下降到40公里时,黑障才会消失,在此之前,地面与返回舱的通信是中断的。

  第四个阶段就是伞降减速和着陆。

  在距离地面大约10公里的高度,返回舱打开引导伞,引导伞张满之后继续拉出减速伞。

  

  返回舱还在降落时,保障直升机就已经发现其位置 (图片来源:央视截图)

  高度在8公里时,减速伞与返回舱分离,之后释放主伞。接着就是缓慢降落的过程,在距离地面5公里的高度时,返回舱抛弃隔热大底,这样可以露出反推发动机,并在接触地面前离地1米高度时启动4台反推发动机,进行最后一次减速。

  最终,飞船以2米每秒的速度接地。接地后,如果风太大导致主伞拖着返回舱跑,航天员可以手动切断主伞。

  

  神舟十二号返回舱降落地面 (图片来源:央视截图)

  动态返回测控保障 两大技术应用是亮点

  为了充分保证航天员的安全,整个返回过程已经进行了十多次实践检验。不仅如此,这次神舟十二号返回时还应用了两大亮点黑科技。

  第一个亮点技术是,用动态适应的返回技术取代以往定时定点的返回方式。

  此举的优势在于可以根据飞船的实时弹道情况进行着陆点预测,这样就可以精确控制返回弹道,准确把握着陆点位置,该技术处于同行领先地位

  根据返回舱返回的视频画面,我们可以看出,在返回舱还没有接地的时候,地面保障团队的直升机就已经抵达附近,这说明我们对返回舱弹道和着陆点判断是非常精确的。

  同时,动态适应的返回技术也缩短了返回时间,使返回舱不再需要“卡着时间点”返回,而是只要满足了条件就能返回,这会缩短航天员返回地面的等待时间,对接下来空间站常态化运营有非常大的帮助。

  第二个技术亮点是以天基为主的测控保障,该技术利用了3颗天链中继星进行天基测控。

  从神舟十二号脱离轨道,到推进舱分离,从393公里高度到140公里,都由天链卫星进行测控支持。这样做的优势在于降低了返回过程对于地面观测站的依赖。

  作为新的测控方式,天基测控也是行业领先,这相当于整个返回过程都处于天链卫星的监控之下。相去天渊的“监测”,也展示出航天科技的技术底蕴。

  空间站的常态化运营

  神舟十二号已经成功返回不久之后天舟三号和神舟十三号将接力“直冲云霄”了,而未来,也会有更多的航天任务。

  这里有一个原则,神舟飞船采用的是滚动备份的发射模式。

  当神舟十三号准备发射的时候,神舟十四号也已经完成发射前的各项准备工作;

  当神舟十三号确定了安全对接空间站后,神舟十四号才会转入备份模式,真真是“有备无患”了。

  滚动备份的模式是为了充分确保航天员的生命安全而设置的,这也将是天宫号空间站常态化运营的轮转方式。下一步,神舟十三号的航天员将在轨停留6个月,而长达半年的太空之旅也会是今后空间站运营的标准配置。

  从神五号,到神舟十三号;飞行时间从21小时28分,到6个月……航天员在太空中停留的时间越来越长,去往太空也会变得越来越容易

  我们相信,中国航天将会不断突破探索宇宙的脚步会走得更远、更稳

责任编辑:科普云

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