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揭秘重返地球之旅 访国际宇航联空间运输委员会副主席杨宇光

2021-09-16 11:56  来源:《法制与廉政》杂志
 出差3个月,航天员要回家了。离开中国空间站,踏上重返地球的路,航天员要闯过哪些关?与嫦娥五号带着月壤回家相比,神舟十二号回家有何异同?对此,记者专访了国际宇航联空间运输委员会副主席杨宇光。

  航天员重返地球风险高,首次在东风着陆场降落

  问:神舟十二号的三名航天员从太空出发,重返地球家园,这个过程大致是怎样的呢?

  杨宇光:重返地球是一个高风险过程。航天器以7.8公里每秒的速度环绕地球运行,而空间轨道运动的特点是,如果航天器原来是在一个圆轨道上运行,只需把速度稍降一点点,就会进入一个椭圆轨道,这个椭圆轨道离地球最近的点是近地点。当速度降到一定程度后,这个近地点就能低到大气层内了,随后利用大气阻力减速。

  飞船和地心连线与地面的交点被称为星下点,而飞船运行和地球自转使得星下点在地球表面移动,形成星下点轨迹。当轨迹运行到非洲南端附近时,地面会向飞船下发制动指令,减速后进入近地点降低后的椭圆轨道运行。大约在经过巴基斯坦卡拉奇上空时,飞船接触大气层并开始气动加热,随后经过我国新疆入境。在飞行高度达到10公里左右时,飞船打开降落伞,速度进一步降低,并抛掉它下面的防热大底。大约离地面还有一米高时,飞船里的几个小固体火箭发动机进一步反推减速,让航天员以一个舒服的速度着陆。

  返回过程复杂,任何环节都不能出错。首先,飞船与大气剧烈摩擦产生极大热量,因此飞船具有气动外形,下面有一个防热大底,承受上千度的高温,防止热量传到航天器内部,这是返回过程中影响飞船安全性的一个关键问题。第二,降落伞必须能够正常工作,这也是神舟飞船设计了主、备两套伞的原因。降落伞在人类航天历史上出过问题,上世纪60年代,苏联“联盟一号”就发生了降落伞缠绕问题,没有打开,返回舱以极快的速度撞击到地面后立刻上升,教训惨痛。此外,还有座椅抬升缓冲、维持舱内气压等一系列操作,共同保证航天员安全着陆。

  问:这次神舟十二号返回与之前的返回任务相比,有什么不一样吗?

  杨宇光:我认为主要有两点不同。第一,神舟十二号与空间站核心舱对接了三个月,过去神舟飞船没有飞过这么长时间,这三个月里,空间辐射环境等都对飞船设备产生影响。飞船和核心舱分离前,我们会对这些设备进行充分检测,确保没问题再离开。

  第二,这是神舟飞船首次在东风着陆场降落,而过去神舟飞船都是落在四子王旗着陆场。为什么这次换地方了呢?过去,神舟飞船是从一个固定的高度返回,而到了空间站阶段,神舟飞船在轨时间变长,运行轨道受空间站轨道规划影响,所以它的高度变化范围较大,不见得是从一个固定高度返回。

  高度变化,意味着飞船返回着陆点范围可能会变化较大,主要体现在东西方向上。东风着陆场位于戈壁地区,它的整个东西方向的宽度更大,且大都属于无人区或者说是一个相对安全的区域,降落更具可控性和便利性。

  北斗导航终端精确定位飞船位置,测控站全程监视飞船飞行,光学设备和雷达跟踪预报轨迹

  问:如何确保飞船降落在可控区域内?我们可以准确判断降落点吗?

  杨宇光:飞船采用半弹道式方式返回,整体受控,具有理论落点。但是,飞船再入大气层的过程中受到各种扰动,大气层密度、高空风场都会对飞船轨迹产生影响。当飞船降落伞打开后,风的影响还会更大。

  但这不代表飞船着陆不可控。返回着陆是一个系统工程,需要多方面配合,地面的着陆场系统、测控系统都要进行很多工作,国内外的多个测控站全程监视飞船飞行,光学设备和雷达跟踪预报轨迹。

  问:神舟十二号上有没有定位设备?我们是不是可以随时得知飞船的“实时位置”?

  杨宇光:飞船上有北斗的导航终端,在空间轨道运行时可以精确给出它的位置和速度。不过,在飞船再入大气层过程中,有一段导航是不起作用的,我们称之为“黑障区”。刚才提到过,再入过程摩擦剧烈产生高温,高温会使飞船表面的防热材料烧蚀,形成带电的等离子体鞘,它能屏蔽无线电波,地面与飞船之间的无线电通信便中断了。不只是神舟飞船,任何航天器在返回地球时都会出现这种现象。随着飞船速度降低,温度降低,等离子体鞘解除,通信也就恢复了,地面可以实时得知飞船位置和速度。当然,即使在“黑障区”,我们也可以用雷达去密切监视飞船。

  落地后,导航终端依然有效,搜救人员可以获知飞船坐标。在精确预报的前提下,地面搜救团队才能在飞船落地后快速到达落点。飞船上也有无线电信标以及闪光灯来辅助搜救人员找到飞船。

  与嫦娥五号不同,神舟飞船返回需着重考虑人的安全

  问:去年嫦娥五号携月壤返回地球,大家也都特别关注。神舟飞船载人返回的过程和嫦娥返回的过程一样吗?

  杨宇光:差别很大,最大的不同在于神舟飞船是载人返回,需着重考虑人的承受能力和安全问题;嫦娥五号没有人,难点在于返回速度快,受力受热更严重。

  飞船在起飞和返回阶段有加速度,加速度比较大时,就会出现过载现象,即人要承受相当于身体几倍的重量。一般来说,神舟飞船返回时,它的过载不会超过航天员身体重量的3到5倍,但航天员在离心机上训练时要承受8倍体重的荷载,这是因为一旦出现飞船需紧急返回的情况,加速度会更大,航天员承受的重量也会更大,因此平时训练的强度一定要比实战情况大,以防万一。

  嫦娥五号返回器里面没有人,不需要考虑这些问题,但它的难点在于返回速度更快,达到约11公里每秒(接近第二宇宙速度),因此受到的阻力和热量也比神舟飞船大得多,所以我们需要验证这个关键技术,这也是为什么我们在嫦娥五号任务之前,还进行了嫦娥五号T1(再入返回飞行)试验任务,验证防热等性能是否可靠。

  嫦娥五号还采用了“半弹道跳跃式返回”(俗称“打水漂”)方式。返回器不是进入大气后一直下降,而是进入大气层一定“深度”并滑行一定距离后再利用本身的升力“漂”出去,然后再进入大气层返回地球。这样有两点好处:一是航天器两次再入大气层,航天器受到的气动力和气动加热比一次直接进入小得多;二是通过半升力控制实现对飞行轨迹的控制,这样就可以在更大范围内精确调整着陆点。将来,如果要进行载人登月任务,那返回阶段就相当于要把神舟飞船的返回技术和嫦娥五号的返回技术做一个结合,能力再进行提升。

责任编辑:jiyebian

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