神舟十二号飞船返回地球,为何飞船返回时会燃烧,升空时却不会?

文 / HHH 2021-09-17 14:27:41 来源:亚金网

神舟十二号返回任务是中国航天员首次从中国空间站返回地球,北京航天飞行控制中心首次采用多项经过验证的新型测控手段,包括飞船的返回方式、测控网络等,都是为了给三名航天员铺开一条更顺畅、更安全的回家之路。


返回方式“定时定点”变为“动态适应”
以往的神舟飞船采用“标称弹道”的返回方式,这种返回方式需要提前预定返回时间,发射前确定瞄准点,对时机的把握要求非常严格。这样“定时定点”的返回方式,已经不能够满足空间站时代航天员频繁往返和应急返回的需求。为此,在“神十二”返回任务中首次采用“动态适应”的返回方式。返回前确定瞄准点,地面发起标准化返回流程后,根据实时弹道预测并进行动态调整,以实现精准返回控制。北京航天飞行控制中心神舟十二号任务副总师 胡国林:它的意义主要在于以后航天员在轨时间长,我们随时都可以具备返回条件,只要它的星下点轨迹能够满足回我们着陆场的条件,随时都可以回来。不像以前定的瞄准点,它要定时定点进行返回。现在我们随时欢迎航天员回来,只要他完成了任务,具备了返回的条件就可以。3颗天链中继卫星服务神舟十二号返回

目前在轨运行的4颗天链中继卫星,有3颗正应用于中国空间站任务,此次“神十二”返回,天链一号03/04星,天链二号01星组成了一套较为完整的天基测控网络。北京航天飞行控制中心神舟十二号任务副总师 胡国林:我们整个的返回从一次调姿、轨返分离、二次调姿、返回制动一直到推进器返回器分离,整个的过程都是以天基为主进行测控支持。


惊心动魄“黑障”阶段安全性可控性提升

我国目前采用的航天器返回技术主要有弹道式和升力式两种。以往的神舟飞船返回普遍采用标称弹道升力式返回,此次基于动态适应和天基测控,神舟十二号飞船返回过程中以升力式作为返回手段,以预测制导作为控制方案,可以对运动姿态进行自主调整,特别是以往返回任务中最惊心动魄的穿越大气层“黑障”阶段,安全性和可控性得到了大幅提升。北京航天飞行控制中心副主任 孙军:这次首次采用叫作预测制导的控制方案。应该说是返回控制的一次革新,采用了新的自适应方案,能够在飞船返回在黑障过程中辨识空间环境对它的影响,能够实时制定出新的升力控制的策略。应该说通过预测制导的方案,一个是保证人员着陆的精度,另外保证了整个的安全性。应该说是我们返回控制方面的一个重大的技术突破。


神舟十二号飞船为何选择东风着陆场?
这次,“神十二”的航天员将在酒泉卫星发射中心东风着陆场返回落地。神舟十二号飞船为什么选择东风着陆场?这种变化是出于怎样的考量?总台记者采访了载人航天工程着陆场系统副总设计师卞韩城。

载人航天工程着陆场系统副总设计师 卞韩城:我们国家载人航天工程起步的时候,只研制了神舟号飞船一种航天器。神舟号飞船的独立飞行时间只有七天,这种情况下我们设置了主备两个着陆场。到了载人空间站阶段,飞船大多数时间是停靠在空间站上面。如果着陆场天气不好,我们可以让飞船晚点返回来,就不需要设置主备两个着陆场。所以说选择东风着陆场作为载人空间站阶段飞船的返回着陆场,首先是工程发展的自然结果。空间站长期运营需要一支常态化搜救力量

东风着陆场位于内蒙古阿拉善盟额济纳旗的中南部地区,这里冬季干冷,夏季炎热,少雨多风,同时具备返回机会多,测控设备可充分利用等很多有利条件。此外,空间站计划在轨运营十年,需要一支常态化应急待命搜救力量。载人航天工程着陆场系统副总设计师 卞韩城:依托酒泉卫星发射中心的人力资源和众多的测控、通信、气象、医疗、运输以及各种后勤保障设施。我们只需要组建一支规模有限的专业搜救力量,就可以形成强大的搜救能力。从系统建设上来讲,他的经费投入就比较少,维持效果比较好,而且随时可以形成强大的搜救能力。


“神十二”返回将检验东风着陆场搜救能力

东风着陆场场区内地形多样,所以搜索救援难度要比四子王旗着陆场高。此次神舟十二号飞船返回舱在这里着陆,将首次检验东风着陆场的搜索救援能力。载人航天工程着陆场系统副总设计师 卞韩城:我们经过了好几轮的梳理,目前梳理出超过三百多种可能会遇到的情况,然后把这三百多种情况进行进一步分析梳理,从中间整理出六大类三十余项关键异常情况。


已组织四次全系统搜救回收综合演练

目前,东风着陆场已经先后组织了四次全系统搜救回收综合演练,多次组织了针对着陆场周边沙漠、戈壁、山地等复杂地形环境的搜索、作业展开、野外生存等课目训练。载人航天工程着陆场系统副总设计师 卞韩城:我们提出了一个跟踪测量、 立体连续、落点预报、快速准确、搜索救援、舱落人到的搜索回收任务预定目标。中国的载人飞船从中国酒泉卫星发射中心发射升空,最后又回到中国酒泉卫星发射中心,这是我们的光荣,所以我们要建设中国航天员进入太空最可靠、最安全、最温暖的航天港。


激动人心的时刻!就在刚才,神舟十二号返回舱载着聂海胜、刘伯明、汤洪波三位航天员,成功降落在东风着陆场!三位航天员在中国空间站上生活了长达三个月,创造了我国航天员在太空中飞行最长时间的纪录。至此,神舟十二号载人飞行任务宣告圆满完成,我们终于等到三位老帅哥回地球一起欢度中秋佳节。


从前方发回的图像可以看到,神舟十二号返回舱的外壳已经烧得黑乎乎的,它在返回过程中经历过高温燃烧过程。而在3个月前,神舟十二号发射升空时,外壳并没有被烧过。那么,神舟十二号载人飞船同样穿过大气层,为什么返回地球时会燃烧起来,而升空时却不会经历这样的过程呢?

神舟十二号发射升空

3个月前,长征二号F运载火箭点火,芯一级火箭和四枚助推器喷射出强大的烈焰,托举着神舟十二号载人飞船,克服地球引力,拔地而起,冲上蓝天。随着燃料快速消耗掉、助推器分离、一二级火箭分离等过程,火箭的重量迅速下降,火箭加速度变得越来越高,飞行速度也在快速增加。

但由于地球大气层十分稠密,火箭加速很困难。因此,火箭升空前期的飞行速度不会很快,它与空气之间的相互作用也不会很剧烈,气动加热效应不会很显著。虽然火箭的外壳也会升温,但还不至于让外壳燃烧起来。

在整流罩的保护下,载人飞船在升空时不会接触到太多的热量,可以确保安全。高度为100公里的卡门线被视为大气层与外太空的分界线,在卡门线之下,火箭的速度不到每秒3公里,这样的速度不足以让火箭外壳温度变得非常高。

到了卡门线之上,大气已经变得非常稀薄,火箭正式进入太空。此时火箭不再会受到气动加热效应的影响,整流罩将会分离,载人飞船直接暴露在太空中。由于太空中阻力很小,火箭很容易把飞船加速到第一宇宙速度,即7.9公里/秒。

神舟十二号返回地球

在完成各项任务之后,三位航天员乘坐神舟十二号载人飞船与空间站进行分离。载人飞船由三个部分组成,分别是推进舱、返回舱和轨道舱,三位航天员待在返回舱中。

在飞船返回时,轨道舱先会被抛离,它独自留在太空中继续绕地球飞行。然后,推进舱、返回舱组合体调转方向,让推进舱朝向前方,推进舱再启动火箭发动机,对飞船进行“刹车”。于是,飞船的轨道从圆形变成抛物线,与地球有交点,它正式踏上返回地球的轨道。

在地心引力的作用下,飞船自由滑翔下落。待到距离卡门线45公里时,也就是距离地面145公里时,推进舱在大气层外被抛离。然后,返回舱调整好姿态,让防热大底朝着下方,以大约1.6度的再入攻角冲进大气层中。

接下来,返回舱将会经历整个任务最为惊险的阶段。返回舱以每秒7.9公里的极快速度再入大气层中,其底部会强烈压缩空气,飞船的巨大动能转化为空气的巨大热能,使得空气温度变得非常高。飞船接触这样的高温空气之后,温度会上升至1600 ℃。另外,飞船与空气的直接摩擦作用,也会产生一些热量。

为了应对强大的气动加热效应,返回舱外层涂上了烧蚀材料。它们经过燃烧之后,会从飞船上剥离,同时带走大量的热量,使返回舱的温度维持在正常水平,从而确保里面航天员的安全。

在这个阶段,返回舱被高温等离子体所包裹,使得无线电波通信发生中断,飞船进入“黑障区”之中。此时,舱内的航天员透过舷窗,可以看到外面烧得通红,不断有碎片在窗外快速划过,场面蔚为震撼。

飞船在这个阶段会面临巨大的风险,一不小心就有可能发生灾难性的意外。2003年,美国宇航局(NASA)的哥伦比亚号航天飞机再入大气层时,因为过热而发生解体,机上7名宇航员全都不幸遇难。

原因是哥伦比亚号在发射升空时,外储箱上的一块泡沫掉下来,击中左侧机翼,把机翼上防热的碳-碳复合材料板砸出一个十几厘米宽的破洞。航天飞机在飞上太空时,由于在稠密大气层中的飞行速度不快,产生的热量很有限,所以安然无恙。但在重返大气层时,大量1600 ℃的高温气体涌入机翼破洞,导致整架航天飞机在空中解体,造成“机毁人亡”的惨烈航天事故。

经过4分钟的艰难飞行,神舟十二号返回舱穿过黑障区,速度和温度都得到大幅度下降,通信恢复。当飞船降落到距离地面10公里的高度时,降落伞会打开,防热大底也会被抛离。待到高度下降至1米时,返回舱的反推火箭发动机启动,让返回舱最终能够安全着陆。

总之,神舟十二号的返回过程可谓是危险重重,飞船和航天员都经受住了严峻的考验。我们终于等到了三位航天英雄,让我们一起热烈欢迎他们回家。

 

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