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神舟十二号从空间站返回,飞船如何保证大头朝下不“翻船”?

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中国空间站在距离地面大约400公里的圆形轨道飞行,每次航天员需要乘飞船上去与它对接才能进入空间站工作和生活,回来的时候也得进入飞船,与空间站脱离后再重返大气层。

关于地球的大气层,一直以来都有这样的说法:大气层的厚度100公里,100公里之上是真空,下边才有空气。其实并非如此。地球表面的空气分子因为受到地球质量的吸引,越接近地面越稠密,越往高处越稀薄,科学家们发现远在月球轨道附近依然会有气体分子。距离地面100公里高度被称为“卡门线”,这是一个虚拟的边界,理论上有翅膀的飞机可以在卡门线的下方飞行,超过这个高度空气太稀薄翅膀就不能提供升力了。


地球、大气层与空间站轨道的比例图

中国的天宫空间站、外国的国际空间站,还有许多对地观测卫星实际都在大气层里边飞行,因为有很小的空气阻力存在,这些航天器每隔一些日子就要开启发动机提升速度和高度,不然它们就会掉下来。

神舟十二号载人飞船是主动落回地面的。它与空间站分离后先要转体90°,将最前面的轨道舱(与空间站对接的部分)脱开,轨道舱之后会落入大气层烧毁;接着返回舱与推进舱组合体再转体90°,推进舱屁股朝前,开启发动机猛推,以抵消飞船的前进速度。

许多人都说咱们空间站绕地球飞行的速度是7.9公里/秒,因为地球的第一宇宙速度是7.9公里/秒,其实这是不对的。第一宇宙速度指的是地球海平面上的理论飞行速度,空间站的速度大约是7.7公里/秒,神舟飞船与空间站分离后的初速度也是7.7公里/秒。

7.7公里/秒大约是音速的23倍,是高铁“复兴号”速度的79倍,比高速公路汽车最高限速快230倍!如果以这么快的速度进入大气层,飞船难逃被烧毁的命运。


返回速度太快会被烧毁

在大约140公里的高度,神舟飞船的推进舱耗尽了燃料,它会与返回舱分离,让返回舱独自完成最后一段旅程。在分离之前,推进舱会按照设计要求调整好返回舱的姿态和弹道,并且保证飞船有一个水平向下大约1.5°~1.7°的再入攻角。

与很多人想的不同,飞船从太空返回时它不是垂直着往下掉,也不是斜着落下来——有许多图片都是错的——实际上飞船返回舱几乎是水平地进入稠密大气层,这意味着飞船返回的过程很长,它需要绕地球飞十几圈来慢慢减速。之所以这样,是因为飞船的速度太快,再入大气层角度过大会烧毁飞船,同时减速过快造成的过载也会杀死里边的航天员。


飞船返回的角度很小时间很长

航天员经过长期艰苦科学的训练,最高能承受9~11个g的过载,在太空长时间工作后,他们对过载的承受力大幅度下降,因此我们需要将返回舱减速过载控制在4个g左右。控制飞船的再入攻角,可以最大程度地利用高空稀薄的大气来减速,同时为进入稠密大气层创造有利条件。

所有飞船在返回大气层时都必须保证大头向下(朝向前进方向),这是因为在与空气高速摩擦的过程中,空气粒子强烈撞击飞船表面,会产生超过2000℃的高温。在返回舱的底部安装了一层“防热大底”,它由高度耐热的烧蚀材料制成,用来保护返回舱不被烧毁。


防热大底通过烧蚀来保护飞船

有朋友问,咱们的神舟飞船看起来像一个倒扣的大钟,这个大铁疙瘩表面没有姿态控制装置,它是怎么保证在空中始终是大头向下、让防热大底朝向前方的呢?

神舟飞船返回舱的表面其实设有几个用于调整飞行姿态的发动机。由于携带燃料的限制,这些发动机不能一直开着,只会在姿态失稳时才会自动开启。保证飞船姿态稳定的秘诀其实还在返回舱设计本身。

地球大气层不是一个均匀体,有的地方密度高有的部分密度低,并且大气是时刻流动变化的,这是我们看天上星星会“一闪一闪”的原因。飞船如何在变幻不定的大气层中保持稳定飞行呢?


飞天小姐姐其实是个不倒翁

许多孩子都玩过不倒翁,西安“大唐不夜城”里那个摇着小扇子伸出纤纤玉手勾引你的网红小姐姐也是一个真人版的“不倒翁”,她的脚下固定着半个硕大铁球。

相对于底座来说,小姑娘的体重很轻,因此连接体的重心大幅度下移。当人在上方移动时,支点发生偏移,在重力势能作用下,它会趋向于回到垂直状态,这时候支点与质心轴线重叠,也就是引力势能平衡状态。


不倒翁的重心很低

载人飞船就像是一个更巨大的不倒翁,它的重心不在飞船的中间,而是更靠近飞船底部,因此它的“下盘很稳”。

当飞船在做返回飞行时,它主要受到地球引力和空气阻力作用,地球引力大于空气阻力,因此飞船重心会自然朝向前下方。


飞船返回舱重心偏向下方一侧

飞船重心其实还不在中轴线上,它会稍稍偏离一些,并且是可以调整的,这一方面可以保证飞船不发生轴向旋转,同时还使飞船保持一定倾斜角度。因为是斜着朝前飞,飞船底部会产生升力,不使它下降得太快,以获得更多减速的时间。

到了距离地面大约10公里的高度,飞船速度已经下降到约200米/秒,已经低于音速了。此时降落伞舱盖打开,引导伞、减速伞、牵顶伞和主降落伞会依次拉出,将下降速度减到60~70米/秒。到接近地面时,主伞能把速度降到5~6米/秒的水平。


降落伞为神舟飞船减速

到了距离地面大约2米时,返回舱底部的反推发动机启动,将飞船接地速度降到3米/秒。虽然说这个速度还是很快,但航天员的座椅可以吸收大部分冲击能量,确保航天员安全着陆。

讲到这里你应该明白了:神舟飞船需要在大气层里通过长时间与空气摩擦来减速,由此会在返回舱表面产生极高温度;为了保证飞船不被烧毁,它需要时刻将防热大底朝向前方;飞船重心的位置朝下,像一个大号的不倒翁那样在飞行中保持姿态稳定可控;最后通过降落伞的进一步减速将航天员们安全送回地球。整个过程利用了重力势能这个基本物理学原理,通过调整飞船的重心达到平衡的目的。

让我们共同祝福神舟十二号航天员聂海胜、刘伯明和汤洪波平安凯旋!

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