潮新聞客戶(hù)端記者屠晨昕

如同一顆劃過(guò)天際的美麗“火流星”，神舟十六號(hào)返回艙，載著景海鵬、朱楊柱、桂海潮，平安歸來(lái)！

10月30日晚上20時(shí)37分，神舟十六號(hào)載人飛船與空間站組合體成功分離。10月31日早上8時(shí)11分，神十六返回艙在東風(fēng)著陸場(chǎng)成功著陸，三位航天員順利出艙，健康狀況良好，神十六載人飛行任務(wù)取得圓滿成功。

“網(wǎng)紅導(dǎo)師”桂海潮安全順利出艙（視頻截圖）。圖源央視

一次又一次的成功，我們似乎對(duì)咱們的神舟飛船返回艙送航天員安全返回地面已經(jīng)習(xí)慣了，覺(jué)得這是稀松平常之事。

事實(shí)上，100公里高的稠密大氣層，在保護(hù)、孕育地球生命和人類(lèi)文明的同時(shí)，也是載人航天的巨大挑戰(zhàn)。航天器再入大氣層、返回地面的環(huán)節(jié)，堪稱(chēng)“鬼門(mén)關(guān)”，而且不是一道、而是四道“鬼門(mén)關(guān)”。就像飛機(jī)降落比起飛更危險(xiǎn)一樣，飛船再入大氣層，可比發(fā)射上天入軌要兇險(xiǎn)多了。

在熱烈祝賀神十六“網(wǎng)紅博士乘組”順利回家的同時(shí)，潮新聞邀請(qǐng)航天專(zhuān)家為你科普從天上回到人間的“鬼門(mén)關(guān)”。

四道“鬼門(mén)關(guān)”，每一關(guān)都兇險(xiǎn)無(wú)比

為什么再入大氣層比發(fā)射時(shí)要更兇險(xiǎn)？浙江大學(xué)航空航天學(xué)院的王慧泉教授打了個(gè)簡(jiǎn)單的比方：如果說(shuō)航天器發(fā)射時(shí)像是戰(zhàn)斗機(jī)，那么返回時(shí)就像是滑翔機(jī)。

“航天器發(fā)射時(shí)有強(qiáng)大的動(dòng)力，整個(gè)是完全受控的。但是返回時(shí)只有在某個(gè)特定的點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)開(kāi)起來(lái)控制一下，而且這種小發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于運(yùn)載火箭，只夠調(diào)整姿態(tài)，航天器只能靠著慣性去‘飄’了，遇到大氣擾動(dòng)對(duì)軌道的影響就會(huì)比較大，控制起來(lái)就會(huì)很困難?！蓖趸廴嬖V潮新聞?dòng)浾摺?/p>

神舟飛船由軌道艙、返回艙、推進(jìn)艙三艙構(gòu)成。返回過(guò)程中，飛船從距地面約390公里的空間站軌道逐漸下降，軌道艙率先與返回艙分離，返回艙進(jìn)入返回軌道。

據(jù)王慧泉介紹，在這個(gè)過(guò)程中，神舟飛船返回艙和航天員乘組，要闖過(guò)四道“鬼門(mén)關(guān)”。

神十六返回動(dòng)畫(huà)演示畫(huà)面（視頻截圖）。圖源中國(guó)載人航天工程辦公室

一是調(diào)姿關(guān)。

返回艙進(jìn)入大氣層時(shí)必須精確控制自身姿態(tài)。角度太小無(wú)法進(jìn)入，若角度過(guò)大，返回時(shí)可能因?yàn)檫^(guò)載太大導(dǎo)致航天員傷亡，甚至因?yàn)榉欠罒岵课辉庥龈邷馗邏憾鵁龤А槭狗祷嘏撝懺谥付▍^(qū)域，神舟飛船返回對(duì)著陸精度要求極高。

中國(guó)航天科技集團(tuán)五院技術(shù)人員通過(guò)對(duì)神舟十六號(hào)飛行過(guò)程中速度、角度和方向的精準(zhǔn)控制，使其最終著陸在預(yù)定地點(diǎn)。

神舟十六號(hào)返回畫(huà)面（視頻截圖）。圖源中國(guó)載人航天工程辦公室

二是火焰關(guān)。

飛船返回時(shí)與大氣的劇烈摩擦?xí)a(chǎn)生上千度的高溫，我們經(jīng)常看到再入大氣層的物體宛如“火流星”就是這個(gè)原理。如果沒(méi)有先進(jìn)的防熱措施，鋼筋鐵骨也要化成灰燼。返回艙再入大氣層時(shí)，要用特制防熱材料的艙底保持向前，起到“保護(hù)傘”作用，使艙內(nèi)始終保持適宜的溫度。

這個(gè)過(guò)程又被稱(chēng)為“黑障”階段，艙體與空氣劇烈摩擦產(chǎn)生高溫高壓的電離氣體層，像劍鞘一樣包裹在返回艙表面，隔絕返回器與地面測(cè)控站之間的通信聯(lián)絡(luò)，令人揪心。

美國(guó)媒體報(bào)道哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)失事的電視畫(huà)面。圖源視覺(jué)中國(guó)

2003年2月1日，美國(guó)哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)再入大氣層，在著陸前16分鐘指揮中心與航天員的聯(lián)系突然中斷。幾秒后，航天飛機(jī)在距地面60公里高度解體散架，7名航天員在一瞬間被氣化，全部遇難。據(jù)調(diào)查，發(fā)射時(shí)外部燃料箱表面脫落的泡沫擊中了航天飛機(jī)左翼前緣的碳纖維材料，形成裂縫。再入大氣層的氣動(dòng)加熱使高達(dá)1400℃的高溫空氣沖進(jìn)左機(jī)翼，融化了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致機(jī)體爆炸。

中國(guó)航天科技集團(tuán)五院科研人員在神舟飛船返回艙艙體表面設(shè)計(jì)了防熱涂層，敷設(shè)有一層燒蝕材料，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時(shí)燒蝕材料升華脫落，帶走大量熱量，從而降低溫度。

中國(guó)航天科工二院23所研制的相控陣?yán)走_(dá)能“看破”在黑障區(qū)“隱身”的返回艙，持續(xù)開(kāi)展跟蹤測(cè)量，防止返回艙偏離預(yù)定的著陸區(qū)域。

神舟十六號(hào)航天員返回地球時(shí)的艙內(nèi)畫(huà)面（視頻截圖）。圖源中國(guó)載人航天工程辦公室

三是過(guò)載關(guān)。

飛船高速進(jìn)入大氣層時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊過(guò)載，震動(dòng)和噪聲，所以必須使過(guò)載限制在人的耐受范圍內(nèi)，一般也就是10個(gè)G以?xún)?nèi)，即航天員承受的力量不到10倍自身體重。

安全渡過(guò)過(guò)載關(guān)的方法，主要是采用半彈道式再入和升力式再入。

我國(guó)的神舟飛船、俄羅斯的聯(lián)盟飛船和美國(guó)的阿波羅飛船等均采用半彈道式再入。其航天器重心與對(duì)稱(chēng)軸有一定距離，因此再入時(shí)飛行方向與對(duì)稱(chēng)軸之間有一定夾角，產(chǎn)生一定的升力，可減小超重、降低熱流密度，有效減小了航天員承受的過(guò)載，使人感覺(jué)更輕松。同時(shí)，利用升力在一定范圍內(nèi)控制落點(diǎn)，提高著陸精度。半彈道式再入穿越大氣層耗時(shí)比較久，大氣摩擦加熱產(chǎn)生的總熱量很高，因此對(duì)防熱的要求較高。

像航天飛機(jī)這樣的帶翼航天器可以進(jìn)行升力式再入。由于機(jī)翼可以產(chǎn)生較大升力，這種方式再入過(guò)程中航天器的機(jī)動(dòng)能力是最強(qiáng)的，可在大范圍內(nèi)選擇落點(diǎn)，航天員所承受的過(guò)載也最小，感覺(jué)最舒服。但升力式再入的技術(shù)難度也最大，對(duì)于防熱的要求也最高。

神十六返回艙著陸瞬間。新華社記者李剛攝

四是著陸關(guān)。

返回艙下降到稠密大氣層后，回收控制系統(tǒng)開(kāi)始工作，打開(kāi)降落傘，進(jìn)一步減速；著地前，著陸緩沖裝置開(kāi)始工作，使返回艙以很低的速度實(shí)現(xiàn)軟著陸，保證航天員安全無(wú)恙。這最后一關(guān)極為重要，否則功虧一簣，前功盡棄。

1967年4月24日，蘇聯(lián)聯(lián)盟一號(hào)飛船返回，就曾因?yàn)樵谶^(guò)最后一關(guān)時(shí)，主降落傘與備用降落傘纏繞到一起，無(wú)法正常打開(kāi)，導(dǎo)致返回艙高速撞向地面，致使船毀人亡，航天員科馬洛夫犧牲。

中國(guó)航天科技集團(tuán)為神舟飛船設(shè)計(jì)了引導(dǎo)傘、減速傘和主傘，回收時(shí)依次打開(kāi)。其中主傘面積達(dá)1200平方米，由1900多塊傘衣拼接而成，全部展開(kāi)后可以覆蓋3個(gè)籃球場(chǎng)大小，拉直長(zhǎng)度近70米，是世界上最大的環(huán)帆傘。

神舟十六號(hào)返回艙開(kāi)傘（視頻截圖）。圖源中國(guó)載人航天工程辦公室

在降落傘的保護(hù)下，返回艙從每秒200米左右減速至每秒8米左右，但這個(gè)速度仍不能保證航天員落地的絕對(duì)安全。著陸前的最后幾米，返回艙智能計(jì)算高度、速度等信息，反推發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳時(shí)機(jī)點(diǎn)火“剎車(chē)”，速度降至每秒2米左右著陸，內(nèi)部緩沖座椅也會(huì)為航天員提供落地保護(hù)。

另外，要保證其落點(diǎn)精度，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)營(yíng)救。1965年3月19日，蘇聯(lián)航天員列昂諾夫?qū)崿F(xiàn)人類(lèi)歷史上首次“太空行走”之后，乘坐上升二號(hào)飛船返回艙降落在烏拉爾山脈的原始森林里。由于手控操縱不甚精確，著陸地點(diǎn)偏離預(yù)定地點(diǎn)1300公里，營(yíng)救人員一時(shí)趕不到。兩名航天員只得在冰天雪地里燃起篝火度過(guò)了難熬的一夜，又凍又餓，3月20日才被救援直升機(jī)找到，萬(wàn)幸未發(fā)生意外。

2020年9月6日，在京舉行的中國(guó)國(guó)際服務(wù)貿(mào)易交易會(huì)展示的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。圖源視覺(jué)中國(guó)

北斗導(dǎo)航，為神舟快速返回保駕護(hù)航

從7時(shí)21分返回艙與軌道艙分離，到8時(shí)11分安全著陸，神十六乘組用了短短50分鐘。

此次神舟十六號(hào)返回，依然采取神舟十三號(hào)以來(lái)的“快速返回方案”，大幅縮短了返程時(shí)間，減輕了航天員在狹小空間長(zhǎng)時(shí)間停留的不適感。

2022年4月16日，神舟十三號(hào)返回艙首次采用快速返回模式，在不改變硬軟件的條件下，返回繞飛地球從神十二的18圈縮短至5圈。每繞一圈約1.5個(gè)小時(shí)，返回全過(guò)程時(shí)間就從神十二的28個(gè)小時(shí)一下子縮短至10個(gè)小時(shí)左右。

工作人員正在進(jìn)行神十六航天員出艙準(zhǔn)備（視頻截圖）。圖源央視

“以往飛船返回地面要繞行那么多圈，花那么多時(shí)間，返回艙無(wú)非就是在尋找一個(gè)合適的位置和角度脫離近地軌道，然后降低軌道，返回地球?！睋?jù)北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授、中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間探測(cè)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)副主任焦維新介紹，現(xiàn)在我們借助于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，確定這個(gè)窗口是非常容易。

事實(shí)上，返回過(guò)程與交會(huì)對(duì)接過(guò)程很相似?！翱臻g對(duì)接的目標(biāo)是位于軌道上的空間站，而返回也有一個(gè)明確的目標(biāo)，那就是飛船著陸場(chǎng)。著陸場(chǎng)在地球上的位置是固定的，但地球是不斷自轉(zhuǎn)的，所以在飛船上看，這也是一個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。”

神舟飛船的星下點(diǎn)軌跡，東風(fēng)著陸場(chǎng)在綠色區(qū)域內(nèi)。圖源中國(guó)載人航天微信公號(hào)

如同前面所述，飛船再入時(shí)減速的大小和方向是很有講究的，正確的返回路徑存在一個(gè)范圍，稱(chēng)為“再入走廊”。

一個(gè)軌道的長(zhǎng)度大約是4萬(wàn)公里，返回艙在哪個(gè)位置開(kāi)始減速呢？焦維新說(shuō)，這需要仔細(xì)計(jì)算，返回艙在這個(gè)特殊軌道、特殊位置開(kāi)始減速的時(shí)間范圍就是我們所說(shuō)的再入窗口。根據(jù)以往的情況，返回艙大概需要飛行1.5萬(wàn)公里。這個(gè)窗口一旦確定，返回艙到達(dá)著陸場(chǎng)的時(shí)間其實(shí)不長(zhǎng)。

在約390公里高度，兩次調(diào)姿、軌返分離；約145公里高度，推返分離；距地面約10公里，開(kāi)傘；最后一步，著陸，航天員出艙。

短短50分鐘的旅途，一路的風(fēng)馳電掣，一路的驚心動(dòng)魄，中國(guó)航天永遠(yuǎn)值得我們期待！