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全球领先!神十三返回:从1天缩短到几小时!究竟是怎样的技术?

2022年2月9日,中国航天科技集团五院载人飞船系统项目技术副经理邵立民在发布会上介绍今年神舟十三号任务时着重的提出了几个重点:

1、2022年,神舟飞船将按计划执行返回、两船次交会对接、三船次应急救援待命,总共涉及神舟十三至十六号四艘飞船;

2、神舟十三号将首次实施快速返回,进一步提升航天员的舒适性及任务实施效率,建立了高密度发射任务下的多艘载人飞船并行研制、发射、停靠、返回及在轨管理体系。

快速返回到底是个什么样的过程?

估计各位应该很好奇这个所谓的快速返回究竟是啥意思,下文先来看看神舟12号究竟是如何返回的,总共用了多久时间?

2021年9月16日上午8时56分,神舟十二号与天和核心舱成功实施分离。随后,神舟十二号开始与天和核心舱绕飞及径向交会试验,并于同日13时38分完成。

2021年9月17日13时34分,神舟十二号返回舱着陆于中国内蒙古自治区阿拉善盟额济纳旗赛汉陶来苏木东风着陆场,这也是神舟飞船首次在东风着陆场着陆。

从上文的9月16日8点56分分离到9月17日13时34分,整整过去了1 天又4小时38分,当然神舟十二号还开执行了“核心舱绕飞及径向交会试验”,不过已经于当然13时38分完成,即使从此时开始计算,也需要24小时少了4分钟,简单的说假如打算在后天早上8点落地回家,那么从今天就得开始准备,明天早上8点就必须分离启程!

在逼仄的飞船空间内,挤着三名航天员还有一堆物资,在这个小小的空间里得坐上一整天。有多小?可以吃吃喝喝,但却没法爽快地上厕所,甚至连转个身都很困难,绝对比你在动车上的二等座要狭窄难受得多。

快速返回:究竟是个怎样的过程?

快速返回就是在脱离后几个小时内直接降落于着陆点,从脱离空间站开始到着陆,不会超过5个小时,比如带着曾经被大家调侃要被俄罗斯航天局丢在国际空间站上的马克范德黑的MS-19(联盟-19)飞船降落就只有短短4个多小时:

2022年3月30日,莫斯科时间10点21分,飞船以正常模式从国际空间站俄罗斯段脱离;

2022年3月30日,莫斯科时间13时34分,飞船的推进系统启动,开始制动从轨道上脱离;

2022年3月30日,莫斯科时间14时28分,联盟号MS-19载人飞船下降器降落在哈萨克斯坦境内;

从飞船脱离开始,仅仅只需要4个小时7分钟就直接降落于预定着陆场,这将大大缩短宇航员窝在飞船内的时间,宇航员之间的轮换效率也大大提高,紧急情况下离轨着陆急需这样的技术,那么神舟十三号快速返回又怎样做到的呢?

神舟十三号快速返回:究竟是怎样的技术?

其实快速返回和此前的标准状态下返回,尽管准备状态差别很大,但从表面上看起来只是与空间站脱离的时机的不一样!

究竟何时才是脱离空间站的时机?

空间站和飞船都是绕地球飞行的,天宫空间站的近地点为389.5千米,远地点395千米,轨道倾角为41.58°,平均绕轨速度为7.68千米/秒,一天大要绕地球15.6圈,但只有一圈空间站的星下点是路过着陆区域上空的。

轨迹示意图,非天宫空间站星下点轨迹

简单地说,一天只有一次机会脱离空间站的机会,其他时间脱离必须等着绕到这个时间才能下来,联盟号快速返回的意思大约为4小时多点,那么拆分一下:

1、飞船脱离后需要2圈绕轨准备;

2、从飞船减速开始到降落大约需要一小时不到一点;

同理,神舟十三号需要在距离东风着陆场星下点位置倒推大约2.5~3圈的位置时候和天宫空间站分离,然后执行2圈绕轨准备,最后大约在距离东风着陆场大约1.4~1.5万千米外的位置开启减速发动机。

那么问题来了,为什么要在那么远的位置就开始减速?因为载人飞船着陆需要有一个合适的再入角度,要是太陡的话从7.68千米/秒减速到0的过载会让人受不了,如果角度太小的话可能就会飞出地球,这个合适的角度就是1.5°~1.7°左右,假如按1.5°计算,那么其斜边的长度大约为14898千米,也就是1.5万千米左右,其星下点大约在巴西的里约热内卢州的上空,如下图:

脱离轨道后的神舟十三号到底是怎样飞行的?

飞船能运行在绕地轨道上是因为它具有第一宇宙速度,因此只要主发动机启动向前进方向喷气即可减速离轨,进入一个叫做再入走廊的轨道,从减速点开始到着陆大约会经历如下过程:

上图中总共有24个节点,但分成非常关键的5个“阶段”,已经淡蓝色用数字标出,以下未特殊说明指的就是淡蓝色数字标注位置,从天宫空间站分离后飞船需要略微减速,飞船脱离空间站,但相距并不是很远的轨道上飞行,轨道高度也在390千米左右。

天宫空间站和神舟十三号示意图

此后飞船向左偏转90度并分离掉飞船的轨道舱,之后将推进舱调整到向前的位置,也就是俗称的屁股朝前,之后到“1”的位置时飞船开启减速发动机(此时大约在南美洲里约热内卢上空),飞船正式进入再入走廊,此时的飞船轴线与前进方向约有12°的迎角,建立返回姿态。

分离轨道舱

2、之后则在再入走廊一直“自由飞行”,到约145千米高度时,推进舱被抛弃,随后推进舱进入大气层烧毁,而飞船则调整重心,使得这个笨头笨脑的钟形飞船在大气层中具有一定的升力,保持一个1.5°的倾角向目的地滑行。

分离推进舱

3、此时已经到了90~100千米这个所谓的稠密大气层范围,稀薄大气在高超音速激波加热下,飞船的大底被加热至2000℃以上的高温,这些耐热材料被烧蚀带走大量的热,而飞船则在多层结构的绝热下保证了一个正常的温度。

此时的飞船外部就包裹了一个火球,在很大的范围内都可以看到,估计在新疆北部以及中亚的朋友届时留意下天空,应该可以看到一个高速划过的超级火流星。

4、这个过程就是所谓的黑障,因为“燃烧”产生的高温等离子体隔绝了电磁波,外界无法传入,内部也无法向外发射,因此这段时间内的通信是中断的,大约从70-90千米高度开始,到30-40千米处速度减低到已经无法产生等离子体时通信恢复。

此后飞船在大气层内继续减速至10千米左右高度时候开引导伞,再拉出减速伞,最后完全张开减速,将落地速度控制在10米/秒以下,晃悠悠从天空落下,当然这会也要抛掉防热大底,此时的返回舱目标是比较明显的,在数十千米外就能看到它飘落。

5、最后在距离地面1米高度时,γ高度探测器发出指令点燃着陆缓冲发动机,返回舱将以3米/秒的速度实现软着陆,并且切断主伞,防止被大风拖着跑。

从理论上来看,此时的返回舱应该是大底朝上,不过大概率情况会倾翻,但这问题不大!然后地面搜救人员一般应该在数分钟内抵达现场,开启飞船舱门,当然航天员也可以自行打开,至此飞船顺利返回地球。

从和空间站分离到着陆,总共也就4小时左右,2个绕圈圈大约3小时,从减速到落地,1小时不到,速度那是杠杠滴。这个快速返回的背后,有天宫空间站的轨道微调在内,当然也有神舟十三飞船适应设计,此前神舟十二号已经就快速返回做了部分测试,而神舟十三号则将全程实施快速返回,这一点在载人航天的几个国家中,已经处在了前列。

不过要提醒下哈,能玩载人航天的也就三家,除了国家队以外,SpaceX是第四个,也是第一家完成载人航天计划的民营公司。

延伸阅读:钟形飞船在大气层中如何控状态?

这个问题比较有趣,因为钟形飞船在大气层中只要重心控制在比较低的位置,本身就是一个自稳定的气动外形,也就是就像在《地心引力》中的返回大气层时的状态一样,在晃动几次后就会稳定下来。

但必须要说明下,稀薄大气可能并不具备这个调整能力,当激波加热的高温烧蚀外壳时也许还没调整好,因此调姿必须在分离推进舱后建立,这个姿态是通过调整飞船的重心获得的。

尽管钟形飞船像个秤砣,但由于其速度极高,而且大底飞船光滑,其仍然具有一定的升力,并且还能控制重心调整期“升阻比”,精确控制其在大气层中的轨迹,这就是飞船落点控制的原理。(完)