神舟十四號返回有多兇險?黑障屏蔽飛船信號,艙外溫度高達2000度

胖福的小木屋 發佈 2022-12-04T14:39:44.754628+00:00

神舟十四號返回地球究竟有多兇險,神舟飛船從距離地球400公里的地方,需要精準的降落到東風著陸場,難度堪比是「萬里中10環」,我來給大家聊聊,返回艙究竟是如何返回地球的。角度控制精準,不然無法進入大氣層重返地球是一個高風險過程。太空飛行器以7.

神舟十四號返回地球究竟有多兇險,神舟飛船從距離地球400公里的地方,需要精準的降落到東風著陸場,難度堪比是「萬里中10環」,我來給大家聊聊,返回艙究竟是如何返回地球的。

角度控制精準,不然無法進入大氣層

重返地球是一個高風險過程。太空飛行器以7.8公里每秒的速度環繞地球運行,「神舟」飛船在軌道上運行的速度高達7.9千米/秒,要想進入大氣層,首先要做的就是制動:制動發動機開始工作,使飛船的軌道高度不斷降低,降低到一定高度後,飛船調姿,進入返回姿態,然後返回艙與軌道艙、推進艙分離,開始進入大氣層。飛船的減速過程和進入大氣層的軌道是經過精確計算的,要求非常精確。



返回艙的外形像一個上窄下寬的「大鐘」,通過發動機的姿態調整,以大底朝前的姿態升力式返回的方式返回地球,返回艙要建立正確的再入姿態角(速度方向與當地水平面的夾角)。這個角度必須精確地控制在一定範圍內,必須在特定高度以合適的「再入角」進入大氣層。如果再入角過陡,會導致返回艙進入大氣層的速度過快,發生劇烈摩擦而燒毀;如果再入角過於平緩,又會像打水漂的瓦片一樣被大氣層「彈」回外層空間,很可能再也無法返回地面。

不僅返回艙要採用舒適的返回姿勢,航天員也要以幾乎與大底平行的角度在座椅中「平躺」。選擇這樣的姿勢返回,是為了更好緩解飛船減速過程中形成的衝擊,從而給自己帶來更多保護。



這句話說起來很容易,但是做起來卻非常難,飛船軌道設計團隊需要精心設計了返回軌道方案,加入了預測校正制導方法來幫助返回艙在再入過程中根據實時位置、氣動參數、瞄準點偏差等來自主計算並維持再入軌跡,以適應落點的變化以及軌道變化範圍大的特點,保證返回的「軌道」絲毫不差。

整個返回過程複雜,任何環節都不能出錯。我們會看到,神舟飛船的外形像一口大鐘,這些都是基於美國物理學家亨利艾倫的理論,他發現高速再入大氣層的太空飛行器前端對空氣產生強烈壓縮,在前方大氣中形成一個傘狀的激波錐,激波前沿的空氣密度急劇升高,在太空飛行器前面像一堵移動的牆一樣,太空飛行器則在激波錐的尾流中前行。由於和前方靜態空氣直接接觸的是激波錐而不是太空飛行器本身,氣動加熱主要由激波前沿和前方的靜態空氣之間的壓縮和摩擦產生。



如果太空飛行器表面和激波前沿保持一定的距離,氣動加熱所產生的熱量將主要在空氣密度較高的激波內傳導和耗散,太空飛行器在周圍寬厚的邊界層保護下,本身承受的熱負荷就要小很多。於是,降低太空飛行器熱負荷的一個重要途徑就是使激波錐前移,儘量遠離太空飛行器本體。根據這一發現,亨利·艾倫提出太空飛行器這個想法是,如果返回艙的形狀像鐘形或圓錐形,底部寬而圓,當空氣以20倍於音速的速度進入大氣層時,會在其前面產生傘形激波。除此之外,還可以確保太空飛行器在再入過程中不至於翻滾,平底朝下的再入姿態可以產生最大的保護效果。



2000度高溫,黑障屏蔽飛船信號


而在進入大氣層之後,考驗並沒有結束,飛船返回艙會經歷高溫震動惡劣環境考驗。根據計算,從宇宙返回的太空飛行器,從高空下降到達離地面 60~70 公里時往往還有 20 倍聲速,艙外溫度最高可達2000度,返回艙外部必須使用避火衣避免其燒毀。

即使有避火衣的防護。但因為空氣密度越來越大,返回艙與空氣劇烈摩擦,使其底部溫度高達上千攝氏度,返回艙周圍被火焰所包圍,艙內會出現震動噪聲過載的現象,在空間中的6個月,對航天員的身體造成了極大的損耗,高溫震動惡劣環境會對航天員身體造成極大負擔。

在降落過程中,由於氣動加熱,貼近返回艙表面的氣體分子被分解和電離,形成一個等離子層。由於等離子體具有吸收和反射電磁波的能力,因此包裹返回艙的等離子體層,實際是一個等離子電磁波屏蔽層。所以當返回艙進入被等離子體包裹狀態時,艙外的無線電信號進不到艙內,艙內的無線電信號也傳不到艙外,一時間,艙內外失去了聯繫,這就是黑障現象。

在這個過程中,地面無法通過任何遙控方式對飛船進行控制,依靠飛行器對狀態進行全自動處理。

黑障的範圍取決於再入體的外形、材料、再入速度,以及發射信號的頻率和功率等。黑障給載人飛船再入返回時的實時通信和再入測量造成困難,目前尚無很好的解決辦法。

降落傘降落,10毫秒同時點火

最後就是利用降落傘降落,飛船返回艙的落點精度不主要取決於降落傘,因為飛船使用的降落傘屬「無控傘」,是會隨風漂移的。主要決定落點精度的其實是「開傘點」,就是返回過程中打開降落傘時,返回艙所處的空間位置,目前在這一領域我們已經做到了世界領先,因為我們創新了「自適應預測制導技術」。

其中,系統中「導航」負責給出當前返回艙的位置、速度和空間方位,「制導」負責提供到達 「開傘點」的方法,「控制」負責執行。




飛行過程中偏差多、偏差大。比如返回艙的初始位置、速度、姿態偏差,氣動力係數、發動機推力、返回艙質量等動力學和控制偏差,以及大氣密度等環境偏差。

其次,有效控制時間短,僅有350秒的時間,且過程中動力學複雜,最後降落的時候,我們要知道艙體距離地面10公里左右時,飛船的速度已經降到每秒330米以下,這時返回艙上的靜壓高度控制器通過測量大氣壓力自動判定所處高度並開傘減速,將返回艙速度逐步降到每秒7米左右。

然而返回艙仍具有很高的速度和較大的動能,這種速度下產生的「硬碰硬」撞擊,極有可能會對航天員的脊柱造成損傷。

所以,返回艙會在距離地面1米時懸空急停,安裝在返回艙底部的4台著陸反推發動機自動點火,並以極強的緩衝力助其實施「軟著陸」。雖然反推發動機個頭不大,但點火時能產生3噸向上的推力。返回艙著陸時,4隻共產生12噸向上的推力,抵消了大部分返回艙的動能,從而達到減速目的。同時通過返回艙底部的由吸能外殼、減振材料和座椅緩衝機構組成的減振系統進一步吸收能量,從而保證航天員絕對安全著陸。




為了保證航天員和返回艙內設備的安全,4台著陸反推發動機必須在10毫秒內同時點火。這樣,返回艙返回才算宣告圓滿完成。

很多科學家說,飛船飛天要比返回容易,返回過程中必須要做到分毫不差,只要有一點偏差,代價就會是航天員的生命。

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