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航天员返回地球全过程,神舟十三号快速返回技术

返回舱是航天员往返太空与地球之间的重要舱段,“底大头小”,航天员在返回过程中,长时间以相对固定得姿势坐在这么一个狭小的空间内,期间还要经历返回舱姿态调整、加减速,并配合地面控制中心完成相应的指令。

航天员返回地球全过程,神舟十三号快速返回技术

 

就拿神州十二号来讲,从与我国空间站天和核心舱分离,到安全降落在东风着陆场,这一返回过程用了28小时34分钟(如果除去验证径向交会对接所消耗的4.5个小时,返回过程差不多就是24个小时)。即便航天员都经过了专业的训练,想必长时间“窝在”这么一个狭小的空间内,不论对身体还是心理上都是一种煎熬。

于是为了改善航天员的环境,提高我国航天事业的效率,根据航天科技五院的相关技术负责人表示,神舟十三号太空三人组翟志刚、王亚平与叶光富将首次体验返回舱的“快速返回”技术,由原先的28小时缩短至4~6小时即可返回地面。

航天员返回地球全过程,神舟十三号快速返回技术

 

那究竟什么是“快速返回”技术呢?

为了更好地理解快速返回技术,我们先粗略回顾一下神州十二号的返回过程,看看时间都主要消耗在哪些阶段。

1 神舟十二号飞船与空间站核心舱分离后,并没有着急进入返回地面的程序,而是绕飞到核心舱的下方,然后向下方的径向对接口靠拢,完成径向交会对接的各项技术验证工作(还记得神舟十三号是如何与核心舱合体的吗?没错,就是径向交会对接的方式。),这项验证工作差不多就消耗了4.5个小时。

航天员返回地球全过程,神舟十三号快速返回技术

 

2 验证任务结束后,飞船进入绕地环绕阶段,这一阶段需要十几圈,每圈耗时1.5个小时。由此可见,航天员返回过程中大部分的时间都消耗在这个阶段,如何缩短这个过程,就是神舟十三号进一步改进的地方。

3 轨道舱与返回舱分离,发动机开启,返回舱逐步降低轨道高度。待返回舱进入大气层之前,推进舱与返回舱分离,最后只留下载人航天员的返回舱。

航天员返回地球全过程,神舟十三号快速返回技术

 

4 返回舱进入大气层,这个阶段也是相对“恐怖”的阶段。在一些返回模拟视频中,我们往往会看到包围在返回舱外围的一团熊熊烈火,这正是由于返回舱与空气剧烈摩擦造成的,正面温度高达上摄氏度。

航天员返回地球全过程,神舟十三号快速返回技术

 

5 在距离地面接近10km左右的高度时,降落伞打开,底部防热罩脱离,返回舱速度放缓至3.5m/s。距离地面1m左右时,反推发动机启动,返回舱安全着陆,迎接航天员出舱。

神舟十三号要突破“快”,采用了什么技术手段?

“快”其实主要体现在前面我们提到的绕地飞行阶段,就拿前不久被广大网友调侃的联盟号MS-19号飞船来讲,从与空间站脱离到安全降落在哈萨克斯坦大草原上,仅仅用了4小时7分钟。

美国东部时间3月30日凌晨3点21分,载有美俄航天员的联盟号MS-19号飞船准时与国际空间站分离,进入绕地飞行阶段。

美国东部时间上午6点34分,联盟号MS-19号飞船脱离原有轨道,启动制动系统,减慢联盟号速度;

美国东部时间上午7点28分,联盟号MS-19号飞船安全降落在哈萨克斯坦的偏远草原上。

航天员返回地球全过程,神舟十三号快速返回技术

这张图显示了俄罗斯联盟号飞船从国际空间站将宇航员和宇航员返回地球过程(图片来源:美国国家航空航天局)

从中我们不难发现,联盟号MS-19号飞船在绕地飞行阶段仅消耗了3小时13分钟,而我们之前的神舟十二号飞船在同样的阶段却消耗了十几个小时,言外之意就是,我们只要在这个阶段能够有效缩短时间,那么神舟十三号的返回时间同样也可以“快”起来。

这个时间是如何节省的?

从已有的信息我们可以查到,我国空间站绕地球飞行的速度约为7.8km/s,轨道高度400~450km,轨道倾角42°~43°,每天可绕地飞行19圈,每圈耗时1小时36分。同样的道理,我们的返回舱在返回过程也需要绕着地球转圈圈,但是这其中并不是每一圈都有用的,每天中只有一圈的星下点是经过东风着陆场,这才是我们需要抓住的关键点。

空间站的平面飞行轨迹如下图所示。

航天员返回地球全过程,神舟十三号快速返回技术

 

简单讲:绕行那么多圈,返回舱无非就是在寻找一个合适的位置和角度脱离绕地轨道,然后返回地球。

根据联盟号MS-19号飞船的绕地飞行数据,从脱离国际空间站到脱离绕地轨道,仅用了3小时13分钟,也就是说经过了大约2圈的绕地飞行准备。

同样的道理,我们的神舟十三号返回也会采用同样的过程,等待我们的空间站组合体运行到一个合适的位置,返回舱与核心舱进行分离,然后做2圈的绕地飞行准备,在距离东风着陆场差不多1.5万km的位置时,启动减速制动系统,保证返回舱按预定角度进入大气层。

航天员返回地球全过程,神舟十三号快速返回技术

 

这个角度既不能太大,也不能太小。角度太大加上速度的瞬间变化会造成过载现象,导致我们的航天员难以承受;太小的可能会造成返回舱飞向星辰大海,再也回不到地球。

返回舱脱离绕地轨道之后,后续的一系列动作就和我们神舟十二号返回的过程类似。

从返回舱与我国空间站核心舱分离,到返回舱与轨道舱分离,这一阶段我们将缩短至3.5左右完成,然后从轨返分离到安全着陆,参照神舟十二号的时间数据50分钟,我们的神舟十三号太空三人组或许仅需要不到5个小时,就可以从太空安全返回地面。

航天员返回地球全过程,神舟十三号快速返回技术

 

这个时间相当于我们从西安到北京乘坐高铁的时间,相信航天员的舒适度一定会大幅度提升。

当然这个快速返回的背后,是我国航天人一代代努力的结果,也是我国航天工程一步步走向强大的象征。

最后预祝我们的三位航天员翟志刚、王亚平、叶光富凯旋!

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