生死時速
——重返地球的科學

文/劉進軍

編者按：2022 年，是我國空間站全面建成之年，也是我國載人航天工程立項實施30 周年。自1992 年中國載人航天工程立項實施以來，30 年間，我國載人航天事業(yè)逐步實現(xiàn)了從搭載一人到多人升空，從艙內(nèi)作業(yè)到太空行走，從短期遨游到中期駐留的歷史性跨越。

2022年4月16日9時56分，“神舟十三號”載人飛船返回艙安全著陸，返回時長從原來的28個小時左右，壓縮到了9個多小時。該返回時間僅是“神舟十二號”載人飛船返回艙返回時間的七分之一左右，這就是“神舟十三號”載人飛船返回艙的“快速返回”技術，也是我國航天員歷史上的首次嘗試。本期“銳·聚焦”欄目將目光鎖定人類重返地球的技術，重溫那些承載著航天追夢人光榮與夢想的偉大瞬間！

回家，永遠是最美好的事情！

宇航員返回地球，一般分為兩種情況，即任務返回和緊急返回。任務返回是指宇航員完成任務后，按計劃和飛行時序返回地球；緊急返回則是在飛船或空間站出現(xiàn)不可控的大麻煩時的選擇。

飛船和空間站具有很高的密封性，在高溫、高壓的作用下必須保證氣密性。在諸多保護措施下，它們在太空中飛行時仍要警惕設備漏氣、破裂的意外狀況，或是小行星撞擊、宇航員突發(fā)疾病的可能性。如果遭遇上述情況，那么宇航員將立即進入返回艙接管自動駕駛儀，通過手動操作備份系統(tǒng)，控制飛船緊急返回。

目前，宇航員返回地球的方式有載人飛船返回、航天飛機返回和太空飛機返回3 種。其中，絕大多數(shù)的宇航員會乘坐載人飛船返回。載人飛船主要由乘員艙、軌道艙和推進艙3 部分組成。當宇航員需要重返地球時，乘員艙變?yōu)榉祷嘏?，載人飛船會陸續(xù)拋棄軌道艙和推進艙。返回艙以每秒7.9 千米的第一宇宙速度，進入地球濃密大氣層。為了抵御進入地球大氣層時遭遇的高熱、火焰和其他危險，返回艙在功能、形狀、結構、飛行時序、智能化飛行控制等方面可謂精益求精，力求萬無一失。

“和平號”空間站的太陽能帆板被小行星撞擊后的慘狀

“神舟號”飛船

返回艙的功能

返回艙主要由兩部分組成，即位于前部的隔熱罩和位于后部的座艙。它是一種有著堅硬隔熱外殼的著陸器，這外殼能幫助返回艙減速，并保護返回艙免受壓力、熱量和在進入大氣層時由阻力產(chǎn)生的可能的碎片的影響。

在返回艙進入大氣層的過程中，隔熱罩面向撞擊方向，吸收由返回艙前方空氣壓縮引起的高熱量。座艙通常承載著宇航員和各種設備，以及降落傘、反推火箭、慣性測量儀和煙火控制系統(tǒng)等重要部件。其中，降落傘位于座艙的頂端，用于著陸期間減緩返回艙的速度。而慣性測量儀則用于使用降落傘減速下降的過程中監(jiān)控返回艙的方向。

有些返回艙安裝了反推火箭。在著陸的最后一秒，反推火箭點火，將速度降到5 ～6 米/秒。有些返回艙安裝了安全氣囊，以緩沖與海面的撞擊。在這種情況下，返回艙可能會在第一次撞擊地面后反彈。當返回艙著陸后，煙火控制系統(tǒng)會釋放鮮艷的彩色煙霧，指示著陸方向和地點。

返回艙的任務目標決定了確保任務成功所需的飛行要求。這些飛行要求包括減速、防熱、抗撞擊和保證著陸精度。

返回艙的形狀

為了符合空氣動力學和氣體動力學的相關原理，以及確保宇航員安全返回地球，科學家研制了近10種形狀的返回艙。目前，世界各國主要采用3 種形狀的返回艙，分別是球形、鐘形和圓錐形。

球形返回艙的外觀設計符合空氣動力學原理。它的穩(wěn)定性得到保證，但沒有升力，幾乎沒有升阻比。同時，它也沒有更大的橫截面，不能借助空氣阻力減緩速度。20 世紀50 年代末至60 年代初，蘇聯(lián)早期的“東方號”飛船返回艙都是球形返回艙。

返回艙的結構和載荷質量，直接影響它所能承受的最大加速度。如果它的結構設計得足夠好，且由堅固的材料(如鋼)制成，那么它可以承受更高的重力加速度。然而，也需要考慮有效載荷的問題。雖然返回艙的結構可以承受重力加速度，但這并不意味著它的有效載荷也可以承受重力加速度。例如，宇航員只能承受12的重力加速度，如果超過這個高限數(shù)值，那么將導致宇航員死亡。返回艙還必須能夠承受高超音速，以及進入大氣層時因劇烈摩擦而產(chǎn)生的高溫。最后，它必須能夠穿透大氣層，準確地降落在某個地點，而不偏離。

航天員楊利偉乘坐的“神舟五號”飛船返回艙

呈球形的“東方號”飛船返回艙

“神舟號”飛船的鐘形返回艙

鐘形返回艙呈底大頭小的鐘形結構。它的設計優(yōu)點眾多，比如，飛船在軌道上飛行時，鐘形返回艙與軌道艙、推進艙連接方便；在進入大氣層時，它不怕氣流的擾動，升阻比較好；在著陸時，它能夠起到不倒翁的作用，穩(wěn)定性好。俄羅斯的“聯(lián)盟號”、我國的“神舟號”飛船的返回艙都采用鐘形的形狀。

圓錐形的“阿波羅號”飛船返回艙

而圓錐形返回艙采用上尖下圓、上小下大的結構。它進入大氣層時，以-27°的高超音速配平迎角飛行，可以獲得0.368 的升阻比，由此產(chǎn)生升力。圓錐形返回艙可以將返回艙的質心偏離其對稱軸，實現(xiàn)橫向范圍控制，并通過在返回艙的縱軸上滾動，實現(xiàn)向左或向右的升力。上小下大的結構讓返回艙的重力加速度從8 ～9降低到4 ～5，并大大降低再入大氣層的速度和熱量。“阿波羅號”飛船的返回艙就是圓錐形的形狀。

知識鏈接

阻力、重力與升力

返回艙經(jīng)歷進入大氣層、下降和著陸階段，必將遭遇兩個最大的外力：阻力和重力。此時，返回艙可以利用一個力，即升力。

阻力是妨礙物體運動的作用力?？諝馐遣煌肿拥幕旌衔?，包括氮氣、氧氣和二氧化碳等。任何從空氣中落下的物體都將撞擊這些分子，并因此減慢速度。返回艙上的阻力大小取決于很多因素，包括空氣密度，以及返回艙的形狀、質量、直徑和表面粗糙度。

返回艙下落的速度，很大程度上取決于重力。物體由于地球的吸引力而受到的力叫重力。重力的施力物體是地球。重力的方向總是豎直向下。物體受到的重力的大小跟物體的質量成正比，重力隨著緯度大小改變而改變。

在實踐中，返回艙確實會產(chǎn)生顯著且有用的升力。升力用于控制返回艙的軌跡，從而減小作用于宇航員的重力，并減少進入返回艙的峰值熱傳遞。因為返回艙在高海拔地區(qū)停留的時間越長，空氣就越稀薄，接受和傳導的熱量就越少。

返回艙的結構

返回艙的結構可分為座艙、防熱層、降落傘和反推火箭4 部分。其中，座艙的一側或兩側設置了觀察舷窗。此外，在座艙的一側還設置了一個進出艙的艙口。座艙內(nèi)為宇航員配備了可以減小沖擊力的座椅，外觀非常像嬰兒椅。這是因為在返回地球的時候，宇航員必須保持蜷縮的姿勢，這是非常安全的姿勢。在返回和著陸前，宇航員還要將這個座椅抬升，以緩沖落地瞬間所帶來的沖擊力。各種應急物品、科研儀器、照相膠卷、U盤和試驗樣品，以及科學數(shù)據(jù)和遙感資料等都會放在座艙里。

當返回艙與大氣劇烈摩擦時，會在艙外產(chǎn)生1500℃的高溫和烈焰。為避免與大氣劇烈摩擦產(chǎn)生的高熱燒穿艙壁，返回艙主要通過輻射式、吸熱式和燒蝕式3 種方式來隔熱。輻射式通常采用具有輻射性能的鈦合金、陶瓷等復合材料，將熱量輻射散發(fā)出去。吸熱式則采用導熱性能好、熔點高和熱容量大的金屬吸熱材料，吸收大量的氣動熱量。燒蝕式的工作原理是：當產(chǎn)生高溫火焰時，返回艙表面的高分子材料會燃燒、熔化、分解、氣化，以此拋甩大量的高熱和火焰。燒蝕材料由陶瓷復合材料，碳碳復合材料，石棉、玻璃與酚醛摻合形成的復合材料等構成。

熱防護材料

我國“神舟號”飛船返回艙采用以燒蝕式為主、以輻射式和吸熱式為輔的隔熱方式?！吧裰厶枴憋w船返回艙的直徑為2.5 米，表面積為22.4 平方米，采用先進的隔熱材料技術，給返回艙穿上一層25 毫米厚的“防熱衣”，防熱材料總質量約500 千克。返回艙的內(nèi)部溫度可以控制在21℃至30℃。為避免局部過熱，返回艙的滾轉調(diào)姿發(fā)動機，會通過使返回艙自轉來均勻受熱。

此外，“神舟號”飛船返回艙還裝備了引導傘、減速傘和主降落傘3 種傘。如有必要，還將裝備第4種傘，即備份傘。“神舟號”飛船返回艙的主降落傘面積為1200 平方米，全長達70 多米，傘衣長20 多米，質量僅90 多千克，折疊后只有一個手提包大小。

反推火箭又被稱為“反向火箭”或“逆行火箭”“制動火箭”，是一種火箭發(fā)動機。當反推火箭用于軌道上的變軌時，被稱為“制動火箭”；用于地球上的減速時，被稱為“反向火箭”。它提供的推力與航天器的運動方向相反，從而達到減速的目的。反推火箭還可用在月球和火星等其他天體的著陸器上。

當軌道上的航天器需要變軌、下降，就啟動反推火箭，減速到一定速度，并改變方向。當返回地球時，航天器在著陸前的最后1 秒，啟動反推火箭，利用空氣動力，迅速減緩運動的速度，最終返回地面。

熱防護材料

利用反推火箭安全著陸

返回艙外殼具有一層很厚的防熱層

如果沒有反推火箭，那么宇宙飛船就將在軌道上停留數(shù)年，直到它們的軌道自然變慢，并在較晚的時間重新進入大氣層。如果沒有反推火箭，那么返回艙將在地球上硬著陸，直接撞擊地面，后果難料。因此，航天器必須配置非?？煽康姆赐苹鸺?/p>

為了抵御進入地球大氣層后面臨的熱量、火焰和其他危險，返回艙已成為一款高附加值的航天科技精品。如果你熱愛航天事業(yè)，并且擁有智慧和想象力，那么你能設計一款最新型且具有高科技含量的返回艙嗎？

知識鏈接

航天器的歸宿

“宇宙飛船墓地”，又被稱為“航天器公墓”，位于南緯47° 24′ 42″、東經(jīng)177°22′45″的南太平洋。這里島嶼稀少，人類活動很少，幾乎沒有船舶航行，水下資源也未被開發(fā)，是世界上最安靜的海域。因此，聯(lián)合國開辟了一片長1000 千米、寬1200 千米的海域作為宇宙飛船的歸宿地。

當完成太空飛行或使用壽命終止后，航天器的命運各不相同。其中，有些衛(wèi)星進入更高的墳場軌道，無限期地留在太空中。墳場軌道又被稱為“垃圾軌道”或“處置軌道”，它是遠高于地球同步軌道的超同步軌道。一些航天器會被移入這種軌道，以減少與其他航天器相撞和產(chǎn)生太空碎片的概率。這些被廢棄的航天器就變成了太空垃圾，越積越多，造成了太空污染的問題。對于太空飛行而言，太空垃圾是一種危害，一直是太空交通管理的難題。

另有一些航天器在重返大氣層時解體，但零部件并沒有燃燒殆盡，墜落在“宇宙飛船墓地”里。從1971 年至今，“宇宙飛船墓地”共安葬了300 多顆（座）廢棄的衛(wèi)星、宇宙飛船和空間站碎片。這其中有充滿傳奇色彩、至今仍令人備感懷念的蘇聯(lián)“和平號”空間站，以及我國的“天宮一號”目標飛行器、“天宮二號”空間實驗室等航天器碎片。