摘要:神舟19号返回地球,比较原定返回地球的时间足足迟了大约23个小时,主要是由于东风着陆场29号的天气相对恶劣,不太稳定。但使到亿万中国同胞提心吊胆。笔者也是这样,前天晚上睡不好觉,想象如果三位太空人回不了地球或将会永远在宇宙间漂浮流浪不知所踪;真的不敢说下去。
文︱关品方
神舟19号返回地球,比较原定返回地球的时间足足迟了大约23个小时,主要是由于东风着陆场29号的天气相对恶劣,不太稳定。但使到亿万中国同胞提心吊胆。笔者也是这样,前天晚上睡不好觉,想象如果三位太空人回不了地球或将会永远在宇宙间漂浮流浪不知所踪;真的不敢说下去。
太空舱返回地球的关键是进入大气层的时候的角度,不能太锐亦不能太钝。太锐的话冲击力大,会引发高温燃烧。太钝的话切不进来,会反弹几次而出。
神舟十九号返回地球是一个复杂的过程,涉及多个关键步骤和技术。笔者从杨利伟当年起,已对这方面饶感兴味。离开地球容易,返回地球困难。
在撤离空间站阶段,神舟十九号首先要脱离太空舱的前端口,固定在特定停泊点,然后逐渐远离空间站,完成180度掉头后变为正飞姿态。这些操作是为了确保飞船进入返回轨道。
神舟十九号飞船今次采用了“快速返回方案”,绕飞地球的圈数从11圈缩短至5圈,用时8个半小时。4月30日0400左右开始返回,同日1230左右返抵东风着陆场。神舟十九号在离地球大约390公里的高度进行两次调整姿势和轨返分离,包括水平方向旋转90度、轨道舱和返回舱分离,以及飞船二次调姿,变成推进舱在前、返回舱在后的姿态。这些动作要在大约120秒内完成,一气呵成,分毫不差,步骤不错。
在太空舱返回的制动阶段(减速),推进舱底部的主发动机和侧面的姿控发动机先后点火,以保持姿态稳定。返回制动程序持续150到180秒后,飞船便进入返回轨道的惯性滑行。在距离地面大约145公里时,推进舱和返回舱分离。推进舱在穿越大气层时被烧毁,名符其实地碎片式气化。
进入大气层的阶段最为惊险。返回舱以大约每秒7公里的速度冲进大气层,形成等离子壳,导致地面与返回舱之间的无线电通信中断。这阶段俗称黑障期,和地面指挥站失联大约5分钟。返回舱的速度在走出黑障期的时候,已下降到大约每秒200米。由此可知,在这几分钟之内的“刹车”速度是如何猛烈。
然后是降落伞展开和着陆阶段,返回舱在距离地面大约10公里的高度时,自动打开降落伞。接近地面时,反推火箭点火,实现软着陆。这是制动的最后一步,类似飞机着陆之后的急速逆向刹停。最终返回舱可以稳妥地降落在东风着陆场(内蒙古),距离北京1555公里。三位太空人飞返北京需要大约三小时。
在整个返回过程中,飞船的姿态控制、轨道调整、制动减速和着陆缓冲等环节都需要高精度的技术支持。三位航天员在返回舱内,8个半小时的返程中,需要承受太空环境变化和返回过程切换的各种挑战。这些技术和步骤要万无一失,才能够确保神舟十九号的安全返回。
返回舱从太空返回地球最后阶段最关键的技术和方法,首先是推进舱和返回舱的分离。进入大气层后,返回舱受到高温燃烧和通信中断的挑战。通过采用半弹道返回设计,返回舱侧着身子冲进大气层,利用空气阻力和升力、控制姿态和落点,确保载重在可控的范围内。在黑障区,因为高温高速,返回舱的表面形成电离层(等离子壳),导致地面控制室与返回舱之间的无线电通信中断。
在下降到10公里高度时,返回舱采用三级开伞系统,依次打开引导伞、减速伞和主伞,将下降速度逐步降低到每秒7至8米。在距离地面大约6公里时,返回舱抛掉防热底部以减轻重量。再整个返回过程中,返回舱就像金蝉脱壳、脱三次。
在着陆阶段,返回舱底部的4个着陆反推发动机,在距离地面一米左右时点火,形成气垫进一步减速,半秒后安全软着陆(最终速度是每秒2米左右)。返回舱的重量大约3吨,如果不是这样精准地减速,撞击地面的力度甚大,难以承受。神舟19号的返回过程,通过上述这些关键步骤,确保了飞船和航天员的安全返回。
最后值得一提的是,太空舱的返回方式有几种。航天器的返回,按技术特点可分为弹道式返回、半弹道式返回和滑翔式返回三类。返回技术是复杂的综合性技术。为使航天器安全返回和准时定点着陆,技术特点包括1/返回控制,2/返回制导,3/再入防热,4/回收着陆。
进行弹道式再入时,返回轨道由离轨条件决定,中途无法修正,因此返回控制主要是制动方向的控制和反推火箭点火时间的控制。制动方向直接决定再入角度的大小,影响再入制动过载(要摔掉轨道舱,不可过轻或过重)和气动加热(温度在1000至3000摄氏之间,要有效阻隔热量向返回舱内扩散)。制动方向是由航天器姿态控制系统控制。反推火箭的点火时间直接影响返回舱的落点位置。为什么这样重要?在近地轨道上反推火箭的点火时间只要相差1秒,都会使返回舱的落点位置相差大约9公里。反推火箭的点火时刻,或由地面测控站直接遥控,或按预先植入的成控程序自动控制。神舟十九号因为载人,航天员的手动控制可作为返回控制的备用方式(plan B)。航天器如果操用升力再入的方式,除了离轨控制之外,还需要在大气层飞行的过程中控制升力。至于半弹道式再入,航天器通过重心偏置以特定角度飞行可以产生升力,通过滚动控制可以改变升力方向,因此具有一定的机动能力。航天器再入大气层后,靠姿态控制系统控制俯仰和滚动产生升力并改变升力方向,因而有较强的机动能力,能够在几千公里范围内作机动飞行,选择最佳的再入路线。在航天器下降到25公里的高度以下时,姿态控制系统就完全停止工作,改用气动控制的方法后续控制高度、速度、路线、航向、侧向距离等参数,使航天器在预定场地平稳着陆。航天器除了离轨控制外,在返航途中须进行几次轨道修正,以便穿入再入走廊,继而靠升力控制沿滑翔式轨道或跳跃式轨道返回地面。
为了在再入的剧烈加热环境中维持结构的稳定和防止太空人的座舱过热,返回舱备有再入防热系统。根据再入环境的不同,弹道式、半弹道式再入航天器采用以烧蚀防热为主的防热系统,亦可以采用以辐射防热为主的防热系统。防热系统的重量约占弹道式、半弹道式再入航天器总重量大约12至19%,直接影响再入航天器的性能。因此研制效率高、重量轻、能多次重复使用的再入防热系是返回技术的一大关键。
最后,回收和着陆技术也是关键。弹道式、半弹道式再入航天器须要利用回收系统使其进一步减速,最后乘降落伞垂直着陆或滚动降落。在自动着陆系统的控制下,从3公里的高度开始向下滑翔;降到500米左右的高度时,开始作拉平机动;降到150米左右的高度时,放下着陆架,接着在跑道上触地滑行,完成最后的着陆动作。
总而言之,航天技术容不得分毫的差池。中国多年来再返回舱返回地球时都会电视直播。笔者的直觉估计旦,即使万一会出现差池,中国仍会有B计划甚至C计划,确保万无一失。究竟这里面中国有什么特有的独步单方,技术机密在哪里?一般人当然没有办法知道。
来源:永不落的红黑心