误差仅130米!神舟十三号着陆精度有多高?如何精确预测落点?

近日,“中国空间站等你来出差”系列课程走进北京第二实验小学,一位小同学提问:“神舟十三号返回舱的实际着陆点和预测着陆点误差仅130米,这是怎么做到预测这么精确的呢?”

52年前,我国成功发射了第一颗人造卫星――东方红一号,从此开启了我国的航天时代。虽然这颗人造卫星早已停止工作,而且也没有动力,但由于它的轨道较高,并没有被地球引力拽回稠密的大气层,而是一直依靠惯性绕着地球转动,它默默见证了中国航天的蓬勃发展。

时至今日,我们不但把多名航天员送上太空,然后再安全返回,而且我国还自主建造了完全属于我们自己的中国空间站。从神舟十二号开始,我国的空间站迎来了航天员的驻留。

在神舟十二号之后,神舟十三号航天员乘组入驻空间站,此次任务为期长达半年,创造了我国载人航天单次任务时间之最。在此期间,神舟十三号任务进行了空间站关键技术的验证,为接下来的全面建造打下坚实基础。

不久前,结束任务的神舟十三号成功返回地球。在返回舱着陆之前,北京航天飞行控制中心给出的最后一次落点预报为东经100°09′43″,北纬41°39′11″。

在目视到神舟十三号返回舱着陆时,空中搜救分队很快就到达现场。在返回舱着陆后,给出的落点坐标为东经100°09′39″,北纬41°39′14″。通过计算可知,实际落点坐标与预测的落点坐标相差只有大约0.13公里,也就是130米。那么,如此高的预测精度是怎么做到的呢?

对此,北京飞控中心空间站任务副总师李大琪,夸赞这位小同学的问题问得很专业。李副总师介绍,这需要精确计算神舟十三号飞船返回时的制动控制量,同时还要考虑到返回舱打开降落伞后,高空风带来的影响。这背后需要精确的计算和控制。

神舟十三号载人飞船第一次使用了快速返回技术,大幅减少返回时间。飞船先与空间站飞离,以7.68公里/秒的速度绕着地球转了5圈。然后,飞船发动机点火,进行调姿和制动,轨道舱分离,返回-推进舱组合体的速度降下来,脱离绕飞地球的轨道,转而进入返回轨道。

飞船的发动机点火时机、制动持续时间和方向非常关键,都需要精确控制好。如果制动推力过大,导致飞船减速过多,就会让飞船以很大的角度冲入稠密大气层,与空气相互作用过于强大,使得飞船温度变得太高而烧毁。

如果制动推力太小,导致飞船减速不够,就会让飞船以很小的角度再入大气层。由于速度快、角度小,飞船将无法进入大气层中,而是像打水漂一样被弹回太空中。

到了145公里高时,推进舱分离,返回舱调好姿态,以1.6°左右的再入攻角再入大气层。只有这样,返回舱才能正常返回,并在东风着陆场的预定区域内着陆。

如果返回舱以完美的弹道下落,可以提前很早极为准确地预测落点坐标。但实际并非如此,随着返回舱高度不断降低,落点预报的坐标也在不断变化。尤其是在返回舱打开降落伞后,高空风会对返回舱最终的确切着陆点产生很大影响。

返回舱在着陆期间,总共进行了四次落点预报。第一次和第二次落点预报的坐标较为接近,第三次逐渐向东北方向偏移,第四次发生了更大幅度的偏移。第一次与第四次落点预报的坐标相距可达6.98公里,将近7公里。

在神舟十三号返回时,地面风速为8米/秒,而高空风速超过30米/秒,这么强的风速对于返回舱落点的精确预报产生了不小的影响。考虑到这些偏差,经过多次的计算之后,最终让返回舱的预测着陆坐标准确接近实际着陆坐标。

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