從1500℃到-15℃,神舟十四號飛船返回地球如何闖「十關」?

老粥科普 發佈 2022-12-04T14:42:40.415090+00:00

據中國載人航天工程辦公室消息,北京時間2022年12月4日11時01分,搭載著航天員陳冬、劉洋、蔡旭哲的神舟十四號載人飛船與空間站組合體成功分離。

據中國載人航天工程辦公室消息,北京時間2022年12月4日11時01分,搭載著航天員陳冬、劉洋、蔡旭哲的神舟十四號載人飛船與空間站組合體成功分離。按照計劃,飛船將在晚間返回內蒙古東風著陸場,這是一段垂直落差399公里、飛行距離超過20萬公里的旅程。7個半小時裡,神舟十四號飛船將繞地球飛行5圈,闖過十道「生死關」,經歷從1500℃高溫到-15℃嚴寒的考驗。

載人航天有「三大基礎技術」——載人天地往返、交會對接和航天員太空行走,每一項技術都很重要,其中讓航天員從太空安全、準確返回地面的技術最複雜,難度最大,風險也最高。神舟十四號飛船自脫離空間站那一刻起大致要經歷約十個步驟,每一步都充滿挑戰,可以說航天員在飛船里要面臨十道「生死關」,需要「步步精心」。

第一關:返回準備

航天員在進入神舟飛船時需要做好空間站節點艙、軌道艙和返回艙三道艙門的關閉和氣密性檢查,任何小小疏忽都會造成太空飛行器漏氣失壓,釀成大禍。

在返回艙就位後,航天員再一次進行飛船狀態檢查、設置返回程序。由於飛船在返回大氣層的過程中有相當長一段距離不受控制,因此返回彈道的計算極其重要,「差之毫厘謬以千里」用在這裡是一點也不為過的。

第二關:撤離

接到地面控制中心撤離指令後,11時01分,神舟十四號飛船與天宮空間站解鎖,由對接機構中的彈簧推著飛船組合體緩緩離開空間站節點艙的徑向對接埠,此時飛船距離地面的高度是399公里。

飛船撤離空間站看起來簡單,卻也需要十分小心,組合體重達8噸,任何一點磕碰都將損壞對接口,甚至造成空間站報廢。

在與空間站相距19米和200米時,飛船會「停」下來,兩次進行狀態檢查,確保在接下來的旅程中飛船是健康的,這個過程要耗費好幾個小時,因為只要「踩下剎車」就必須一氣呵成,沒有後悔藥可吃。

第三關:軌返分離

神舟飛船是三艙結構——與空間站對接的部分是軌道艙,最後邊是推進艙(能源艙),返回艙夾在中間。軌道艙裡帶了一些生活垃圾,與空間站分離後它便完成了使命,飛船需要先把軌道艙拋掉,讓它在大氣層中燒毀。

在大約380公里高度,神舟飛船到達大西洋上空,它開始進行飛行姿態調整——逆時針旋轉90度,側著飛,然後軌道艙以大約1~2米/秒的相對速度與返回艙脫離。

第四關:返回制動

在拋掉軌道艙之後,飛船再一次進行姿態調整,逆時針再轉90度,把屁股朝前,開啟推進艙的發動機向著前進的方向噴射。

這幾乎是飛船最後一次掌握落點的機會,推進艙的發動機持續噴射大約3分鐘,它要把飛船從7.9公里/秒的第一宇宙速度降下來,同時推進艙上所有姿態控制發動機根據計算的彈道實時調整飛船姿態,確保接下來飛船再入攻角準確。

儘管推進發動機竭盡全力一腳剎車「踩到底」,它也只能讓飛船減速到7.6公里/秒。

第五關:推返分離

推進艙幾分鐘就耗盡了燃料,飛船不能帶著它返回,那會製造非常大的麻煩。

1969年1月18日,蘇聯聯盟5號飛船返回地球,由於爆炸螺栓失靈,飛船返回艙無法與推進艙脫開,雙雙撞入大氣層。

飛船返回艙有非常好的防熱措施,以保護艙內太空人的安全,但它的上方無法承受1000℃以上的高溫,受推進艙拖累的飛船有可能船毀人亡。後來在高溫和劇烈震動下連接螺栓鬆動,推進艙脫離,飛船返回艙翻轉180度,大底朝前,太空人沃雷諾夫逃過一劫。

在大約145公里高度時,神舟十四號飛船返回艙就會與推進艙分離,啟動返回艙上的姿態發動機調整飛船姿態,將再入攻角控制在1.5°~1.7°範圍。

第六關:進入黑障區

儘管有推進艙耗盡全部能量「踩剎車」,飛船進入大氣層的速度依然在7.6公里/秒左右。以23馬赫的高速度與空氣摩擦,飛船表面會發熱,事實上所有載人飛船都是通過把勢能轉化為熱能的方式來減速,從而把航天員安全送回地面的。

空氣分子猛烈撞擊飛船底部,推著飛船減速。飛船表面的溫度越來越高,在大約80公里高度時,飛船底部表面溫度上升到大約1500℃。

很少有材料能長時間在如此高溫下保持足夠的強度,為此航天科學家們開發出了一種高溫燒蝕材料,用這種蜂窩狀的材料製成一個「防熱大底」,它像一個盾牌,通過不斷燃燒自己把熱量帶走,從而保護後方的飛船。

劇烈燃燒的高溫會讓分子電離,由此產生一個包裹著飛船的等離子體「殼」,這個殼隔絕了電磁波,因此當飛船進入大氣層後就無法與地面聯繫,沒有人知道飛船裡邊發生了什麼。4~6分鐘後飛船下降到40公里高度,它的速度降了下來,外殼等離子體減弱,通訊才能恢復。科學家們將飛船失去通訊的這個區域稱為「黑障區」。

第七關:開傘

飛船下降到大約10公里高度時,它的飛行速度降到200米/秒。這時候需要打開降落傘進一步減速,否則飛船將以大約90米/秒的速度撞擊地面,危及航天員的生命。

安全打開降落傘是飛船成功著陸的關鍵,飛艙會首先釋放引導傘,由引導傘拉出減速傘,將速度降到60~70米/秒,在8公里高度拋掉減速傘打開巨大的主傘,進一步將下降速度控制在5~6米/秒。

主降落傘成功打開之後,飛船會把多餘的燃料排放出去,避免偏二甲肼燃料對航天員和地面搜救人員造成傷害。

第八關:著陸準備

航天員在軌工作半年之後可能存在骨丟失的情況,骨質酥鬆,5米/秒的衝擊速度依然可能對航天員造成傷害,因此飛船在著陸前需要做一些準備工作:拋掉此前立下大功的防熱大底,將飛船底部緩衝發動機噴口露出來;升高航天員座椅,增加緩衝距離,使航天員受到的衝擊降到最低。

第九關:著陸

當飛船底部距離地面1~2米時,飛船傳感器觸發反推發動機工作,將飛船觸地速度從5米/秒降到3米/秒。在飛船內部,航天員座椅下降,航天員平安著陸。

如果你看到飛船著陸瞬間火光一閃,不要擔心,那不是飛船爆炸,而是反推發動機瞬間點火發出的閃光,表示航天員已經安全著陸了。

第十關:搜救

12月的內蒙古戈壁,氣溫降到-15℃以下,又是夜間,這給地面搜救工作造成了很大困難。

為保安全,航天著陸場選在了內蒙古腹地東風鎮附近的東風著陸場。十二月的西北戈壁氣候寒冷,由於著陸時間在夜裡,這給地面搜救工作造成了很大困難。搜救人員通過天地協同,又做了充分準備和反覆演練,相信他們能以最快的速度找到飛船著陸點,迎回英雄的航天員。

總結:

航天發射充滿風險,中國航天人已經順利迎回8艘載人飛船,神舟十四號將是第9批返回地球的航天員,「最忙乘組」值得期待。

與神舟十三號一樣,神舟十四號飛船也採用7.5小時快速返回方式,在7.5小時裡難關重重,每一步都需要精心操作,可謂步步精心。

祝福神舟十四號,祝福中國航天!

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2021-06-25T04:03:17.951181+00:00

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