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刚刚!成功着陆!飞船返回竟然还运用了这些技术?没想到真硬核

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据中国载人航天工程办公室消息,北京时间9月17日,神舟十二号载人飞船返回舱,在东风着陆场顺利着陆,这也是神舟载人飞船首次在东风着陆场着陆。


▲着陆现场,来源:央视新闻

神舟十二号返回之际,神舟十三号的发射也即将进行,这次任务将轮换三名航天员,同时将任务时间延长至6个月,这将是一次新的挑战。

经过之前12艘神舟飞船的历练,中国航天在载人往返方面的成功率可以达到100%。那么,此次神舟十二号返回地球应用了哪些硬核技术呢?

径向交会测试增加返回难度

随着技术的进步和空间站更加复杂化,神舟飞船返回地球时的机动动作也有所改变,这次神舟十二号增加了径向交会试验,主要是为了神舟十三号对接做准备,神舟十三号对接采用径向对接,因此在神舟十二号上进行了一次演练和测试,确保各项设备都处于正常的状态。

这个试验要求神舟飞船以垂直的方式与空间站节点舱对接,与以往前后向对接有非常大的不同。

前后向对接中,空间站和飞船都处于一个水平面上,只要控制相对速度即可。但是在径向交会对接中,增加了垂直方向的速度,导致了不仅要控制飞船与空间站的水平方向速度,还要控制双方的垂直方向速度,增加了对接难度。


▲ 径向交会示意图

即便难度较大,神舟十二号也圆满完成了测试任务,进行了一次模拟的径向交会,待神舟十三号抵达空间站后,再实现径向交会对接。

飞船返回过程中应用的技术

神舟十二号在完成径向交会测试之后,将启动发动机降低速度,这样就可以被地球引力给捕获,以进一步降低高度,这一步被称为制动减速阶段。在制动减速阶段,返回舱需要与轨道舱分离,同时返回舱的发动机朝前,进一步降低速度。

第二个阶段是自由滑行阶段,分离之后的返回舱开始进入无动力滑行阶段,在大约140公里的高度时,返回舱与推进舱分离,调整再入姿态角,大约1.5°至1.7°,以这个姿态切入大气层。

第三个阶段是再入大气层阶段,此时返回舱接触大气层顶端,大约100公里高度,以每秒7.9公里的速度进入大气层,飞船周围形成等离子体,即黑障,此时返回舱与地面将失去短暂联系。

通信恢复高度在40公里,也就是说在100公里至40公里的高度上,飞船是处于失联的状态。

接着飞船通过侧倾角的变化实现主动控制,精确对准着陆场方向。


▲ 飞船返回舱反推发动机工作,成功着陆

第四个阶段是回收阶段,从距离地面10公里高度开始,依次完成打开引导伞、减速伞、主降落伞等操作,最终在距离地面1米左右的时候,启动反推发动机,接地速度控制在3米每秒。

可以说,神舟飞船在返回阶段的技术已经相当成熟,不存在技术瓶颈问题,这就要归功于中国科研人员在过去数十年的不懈努力。

在返回的时候,处处都能体现出航天大国的各种黑科技,比如返回舱表面温度可达到2600K,需要高分子耐高温材料制造而成;返回舱的舷窗玻璃也是特殊材料制造而成;还有通信保障技术等等,都是为了确保飞船在返回过程中不出差错。

神十二返回对航天产业的发展

从航天产业的角度看,神舟十二号返回时进行了径向交会试验,为今后空间站对接2艘飞船奠定了基础。

这说明将来的空间站有可能再增加一个节点舱,扩大规模,对航天下游产业而言,可以抓住这个机会,尽早准备,可提出合理的方案,比如建造舱段的新技术、进入太空旅游产业等。

自2016年以来,中国与联合国外空司合作,对所有联合国成员国进行实验项目征集,将用到天宫号空间站上。由于轨道上只有中美空间站,轨道资源匮乏,需要进行的科研项目较多,为了控制成本,天宫号空间站有可能使用新型舱段,比如充气式空间站,可对接到天宫号上。

这次神舟十二号测试径向交会技术,就是为今后对接2艘飞船做准备,这样一来,天宫号的任务就会更加丰富,扩大规模也有了可能性。

虽然神舟载人飞船的返回技术已经相当成熟,但在细节上部分问题要攻克。比如:

1、神舟十二号在黑障阶段的通信问题仍然存在

这也是世界级的难题,对航天产业而言,如果能够解决这个问题,就可以让飞船再入大气层阶段全程保持通信。

2、在耐高温材料方面,仍需要进一步的提升

可以让飞船承受更高的温度,对缩短返回时间有所帮助。

3、航天员出舱问题

在神舟十二号返回地面之后,航天员通常不能自行出舱,需要工作人员扶着出舱,但是返回舱空间狭小,工作人员有时候无法施展,因此就有人提出是否可以设计一种机械装置,可协助航天员出舱。


航天员落地之后需要爬出返回舱,图片来源:国家航天局

中俄的返回舱造型相似,返回舱接地之后,俄罗斯设计了一个架子,工作人员从上方将宇航员捞出来,中国航天员需要让返回舱放倒之后,自己先爬出来。


俄罗斯航天机构设计了一种架子,从上方将宇航员捞出来,但是宇航员表情也比较痛苦,图片来源:俄罗斯航天局

两种方式其实都存在一定的难度,由于航天员刚刚适应重力环境,要自己爬出来其实难度较大,也比较难受。

如果有一种辅助装置,将会改善这种情况,也是载人航天下游产业细化背景下的一个突破口。

4、科学家进入空间站所面临的问题

如果将来让科学家进入空间站,其受训练的时间就大大缩短,如何确保此类航天员顺利在轨工作、返回,将是航天产业所面临的一个新的机遇和挑战。

航天技术的大国博弈

神舟十二号飞船这次成功返回,代表了中国载人航天进一步成熟,已经处于世界领先的状态。


▲ 着陆现场

欧美也推出了自己的载人航天计划,比如ESA宣布启动欧盟太空计划、NASA希望增加明年的预算、美国商业航天也加快了发展步伐。

中国在稳扎稳打推进空间站建造之时,似乎欧美也有些坐不住了,急忙宣布相关发展规划,导致一些项目仓促上马。

不可否认的是,在接下来十多年,世界各国对近地轨道的资源开发和竞争将更加激烈,中国也应该提早部署,应对各种突如其来的挑战。

作者丨林文杰,工程师,川陀智库高级研究员

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