文/劉進(jìn)軍

編者按：2022 年，是我國(guó)空間站全面建成之年，也是我國(guó)載人航天工程立項(xiàng)實(shí)施30 周年。自1992 年中國(guó)載人航天工程立項(xiàng)實(shí)施以來，30 年間，我國(guó)載人航天事業(yè)逐步實(shí)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(shí)56分，“神舟十三號(hào)”載人飛船返回艙安全著陸，返回時(shí)長(zhǎng)從原來的28個(gè)小時(shí)左右，壓縮到了9個(gè)多小時(shí)。該返回時(shí)間僅是“神舟十二號(hào)”載人飛船返回艙返回時(shí)間的七分之一左右，這就是“神舟十三號(hào)”載人飛船返回艙的“快速返回”技術(shù)，也是我國(guó)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(shù)，重溫那些承載著航天追夢(mèng)人光榮與夢(mèng)想的偉大瞬間！

回家，永遠(yuǎn)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(wù)返回和緊急返回。任務(wù)返回是指宇航員完成任務(wù)后，按計(jì)劃和飛行時(shí)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(shí)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(hù)措施下，它們?cè)谔罩酗w行時(shí)仍要警惕設(shè)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(jìn)入返回艙接管自動(dòng)駕駛儀，通過手動(dòng)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(jī)返回和太空飛機(jī)返回3 種。其中，絕大多數(shù)的宇航員會(huì)乘坐載人飛船返回。載人飛船主要由乘員艙、軌道艙和推進(jìn)艙3 部分組成。當(dāng)宇航員需要重返地球時(shí)，乘員艙變?yōu)榉祷嘏摚d人飛船會(huì)陸續(xù)拋棄軌道艙和推進(jìn)艙。返回艙以每秒7.9 千米的第一宇宙速度，進(jìn)入地球濃密大氣層。為了抵御進(jìn)入地球大氣層時(shí)遭遇的高熱、火焰和其他危險(xiǎn)，返回艙在功能、形狀、結(jié)構(gòu)、飛行時(shí)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(hào)”空間站的太陽能帆板被小行星撞擊后的慘狀

“神舟號(hào)”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(jiān)硬隔熱外殼的著陸器，這外殼能幫助返回艙減速，并保護(hù)返回艙免受壓力、熱量和在進(jìn)入大氣層時(shí)由阻力產(chǎn)生的可能的碎片的影響。

在返回艙進(jìn)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(shè)備，以及降落傘、反推火箭、慣性測(cè)量?jī)x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(cè)量?jī)x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(diǎn)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(huì)在第一次撞擊地面后反彈。當(dāng)返回艙著陸后，煙火控制系統(tǒng)會(huì)釋放鮮艷的彩色煙霧，指示著陸方向和地點(diǎn)。

返回艙的任務(wù)目標(biāo)決定了確保任務(wù)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(dòng)力學(xué)和氣體動(dòng)力學(xué)的相關(guān)原理，以及確保宇航員安全返回地球，科學(xué)家研制了近10種形狀的返回艙。目前，世界各國(guó)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(shè)計(jì)符合空氣動(dòng)力學(xué)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(shí)，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(jì)50 年代末至60 年代初，蘇聯(lián)早期的“東方號(hào)”飛船返回艙都是球形返回艙。

返回艙的結(jié)構(gòu)和載荷質(zhì)量，直接影響它所能承受的最大加速度。如果它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得足夠好，且由堅(jiān)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(jié)構(gòu)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(gè)高限數(shù)值，那么將導(dǎo)致宇航員死亡。返回艙還必須能夠承受高超音速，以及進(jìn)入大氣層時(shí)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(zhǔn)確地降落在某個(gè)地點(diǎn)，而不偏離。

航天員楊利偉乘坐的“神舟五號(hào)”飛船返回艙

呈球形的“東方號(hào)”飛船返回艙

“神舟號(hào)”飛船的鐘形返回艙

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

圓錐形的“阿波羅號(hào)”飛船返回艙

而圓錐形返回艙采用上尖下圓、上小下大的結(jié)構(gòu)。它進(jìn)入大氣層時(shí)，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(zhì)心偏離其對(duì)稱軸，實(shí)現(xiàn)橫向范圍控制，并通過在返回艙的縱軸上滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)向左或向右的升力。上小下大的結(jié)構(gòu)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?！鞍⒉_號(hào)”飛船的返回艙就是圓錐形的形狀。

知識(shí)鏈接

阻力、重力與升力

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

阻力是妨礙物體運(yùn)動(dòng)的作用力?？諝馐遣煌肿拥幕旌衔?，包括氮?dú)狻⒀鯕夂投趸嫉取Ｈ魏螐目諝庵新湎碌奈矬w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(zhì)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(zhì)量成正比，重力隨著緯度大小改變而改變。

在實(shí)踐中，返回艙確實(shí)會(huì)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(jìn)入返回艙的峰值熱傳遞。因?yàn)榉祷嘏撛诟吆０蔚貐^(qū)停留的時(shí)間越長(zhǎng)，空氣就越稀薄，接受和傳導(dǎo)的熱量就越少。

返回艙的結(jié)構(gòu)

返回艙的結(jié)構(gòu)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(cè)或兩側(cè)設(shè)置了觀察舷窗。此外，在座艙的一側(cè)還設(shè)置了一個(gè)進(jìn)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?yàn)樵诜祷氐厍虻臅r(shí)候，宇航員必須保持蜷縮的姿勢(shì)，這是非常安全的姿勢(shì)。在返回和著陸前，宇航員還要將這個(gè)座椅抬升，以緩沖落地瞬間所帶來的沖擊力。各種應(yīng)急物品、科研儀器、照相膠卷、U盤和試驗(yàn)樣品，以及科學(xué)數(shù)據(jù)和遙感資料等都會(huì)放在座艙里。

當(dāng)返回艙與大氣劇烈摩擦?xí)r，會(huì)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(fù)合材料，將熱量輻射散發(fā)出去。吸熱式則采用導(dǎo)熱性能好、熔點(diǎn)高和熱容量大的金屬吸熱材料，吸收大量的氣動(dòng)熱量。燒蝕式的工作原理是：當(dāng)產(chǎn)生高溫火焰時(shí)，返回艙表面的高分子材料會(huì)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(fù)合材料，碳碳復(fù)合材料，石棉、玻璃與酚醛摻合形成的復(fù)合材料等構(gòu)成。

熱防護(hù)材料

我國(guó)“神舟號(hào)”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?hào)”飛船返回艙的直徑為2.5 米，表面積為22.4 平方米，采用先進(jìn)的隔熱材料技術(shù)，給返回艙穿上一層25 毫米厚的“防熱衣”，防熱材料總質(zhì)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(zhuǎn)調(diào)姿發(fā)動(dòng)機(jī)，會(huì)通過使返回艙自轉(zhuǎn)來均勻受熱。

此外，“神舟號(hào)”飛船返回艙還裝備了引導(dǎo)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?！吧裰厶?hào)”飛船返回艙的主降落傘面積為1200 平方米，全長(zhǎng)達(dá)70 多米，傘衣長(zhǎng)20 多米，質(zhì)量?jī)H90 多千克，折疊后只有一個(gè)手提包大小。

反推火箭又被稱為“反向火箭”或“逆行火箭”“制動(dòng)火箭”，是一種火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)反推火箭用于軌道上的變軌時(shí)，被稱為“制動(dòng)火箭”；用于地球上的減速時(shí)，被稱為“反向火箭”。它提供的推力與航天器的運(yùn)動(dòng)方向相反，從而達(dá)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(dāng)軌道上的航天器需要變軌、下降，就啟動(dòng)反推火箭，減速到一定速度，并改變方向。當(dāng)返回地球時(shí)，航天器在著陸前的最后1 秒，啟動(dòng)反推火箭，利用空氣動(dòng)力，迅速減緩運(yùn)動(dòng)的速度，最終返回地面。

熱防護(hù)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(shí)間重新進(jìn)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?。

為了抵御進(jìn)入地球大氣層后面臨的熱量、火焰和其他危險(xiǎn)，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(shè)計(jì)一款最新型且具有高科技含量的返回艙嗎？

知識(shí)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(dòng)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(guó)開辟了一片長(zhǎng)1000 千米、寬1200 千米的海域作為宇宙飛船的歸宿地。

當(dāng)完成太空飛行或使用壽命終止后，航天器的命運(yùn)各不相同。其中，有些衛(wèi)星進(jìn)入更高的墳場(chǎng)軌道，無限期地留在太空中。墳場(chǎng)軌道又被稱為“垃圾軌道”或“處置軌道”，它是遠(yuǎn)高于地球同步軌道的超同步軌道。一些航天器會(huì)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(duì)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(shí)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(hào)”空間站，以及我國(guó)的“天宮一號(hào)”目標(biāo)飛行器、“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室等航天器碎片。