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神舟十二号返航惊险时刻:黑障屏蔽飞船信号,舱外温度高达2000度

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神舟飞船的前段是轨道舱,中段是返回舱,后面是推进舱。首先,轨道舱和返回舱进行分离,神舟十二号飞船降到返回轨道。随后发动机开机,飞船将从393公里高度逐步下降,在进入大气层之前,飞船要完成推进舱分离。


神舟十二号返回舱的外形像一个上窄下宽的“大钟”,通过发动机的姿态调整,以大底朝前的姿态升力式返回的方式返回地球,返回舱要建立正确的再入姿态角(速度方向与当地水平面的夹角)。这个角度必须精确地控制在一定范围内,如果角度太小,飞船将从大气层边缘擦过而不能返回;如果角度太大,飞船返回速度过快,就会像流星-样在大气层中烧毁。


飞船返回舱进入稠密大气层后,是返回过程中环境最为恶劣的阶段。空气密度越来越大,返回舱与空气剧烈摩擦,使其底部温度高达数千摄氏度,返回舱周围被火焰所包围,因此,对返回舱要采取特殊的防热措施。

在距地面10公里左右的高度,返回舱将打开降落伞,并抛掉防热大底,速度将下降至每秒3.5米左右。在距地面1米左右时启动反推发动机,最终使返回舱实现安全着陆。

在进入大气层后,可以说是最惊险的时刻,在进入大气层时,由于返回舱对大气的高速摩擦和对周围气体的压缩,使速度急剧下降,同时巨大的动能转换成热能。这些热能除辐射掉一部分之外,其中的一部分将使返回舱表面温度上升到2000多度,返回舱外壁会被熊熊烈火包围,使整个飞船像火球一样划过天空。


这也是飞船返回舱返回最大技术难点之一,就是飞船的降温,必须给飞船穿上一件“隔热 衣”。不然整个返回舱将会像陨石一样被烧为灰烬。

飞船返回舱的降温主要通过三种方法:一是吸热式防热,在返回舱的某些部位,采用导热性能好、熔点高和热容量大的金属吸热材料来吸收大量的气动热量;二是辐射式防热,用具有辐射性能的钛合金及陶瓷等复合材料,将热量辐射散发出去;三是烧蚀防热,利用高分子材料在高温加热时表面部分材料融化、蒸发、升华或分解汽化带走大量热量的方法散热。

神州十二号返回舱则采用的是烧蚀防热的方式,在返回舱外部特别是温度最高的底部包覆了一层称为“烧蚀材料”的厚厚防热层。这种材料引火烧身,能够通过燃烧自己,耗散大量的热能,从而保护飞船。飞船返回舱着陆后看起来像个烧黑的大铁锅,这就是烧蚀防热形成的结果。因此烧蚀材料,要求汽化热大,热容量大,绝热性好,向外界辐射热量的本领强。中国科学家通过对数十种烧蚀材料的反复筛选和试验,最终为神舟飞船选择了一种先进的低密度烧蚀材料。这种材料不但能耐受几千度的高温,而且密度小于1克/厘米3,质量非常轻。


除此之外,在降落过程中,由于气动加热,贴近返回舱表面的气体分子被分解和电离,形成一个等离子层。由于等离子体具有吸收和反射电磁波的能力,因此包裹返回舱的等离子体层,实际是一个等离子电磁波屏蔽层。所以当返回舱进入被等离子体包裹状态时,舱外的无线电信号进不到舱内,舱内的无线电信号也传不到舱外,一时间,舱内外失去了联系,这就是黑障现象。


在这个过程中,地面无法通过任何遥控方式对飞船进行控制,依靠飞行器对状态进行全自动处理。

黑障的范围取决于再入体的外形、材料、再入速度,以及发射信号的频率和功率等。黑障给载人飞船再入返回时的实时通信和再入测量造成困难,目前尚无很好的解决办法。

而最后一道难关就是降落了,尽管舱体距离地面10公里左右时,飞船的速度已经降到每秒330米以下,这时返回舱上的静压高度控制器通过测量大气压力自动判定所处高度并开伞减速,将返回舱速度逐步降到每秒7米左右。返回舱仍具有很高的速度和较大的动能,这种速度下产生的“硬碰硬”撞击,极有可能会对航天员的脊柱造成损伤。


为此,返回舱会在距离地面1米时悬空急停,安装在返回舱底部的4台着陆反推发动机自动点火,并以极强的缓冲力助其实施“软着陆”。虽然反推发动机个头不大,但点火时能产生3吨向上的推力。返回舱着陆时,4只共产生12吨向上的推力,抵消了大部分返回舱的动能,从而达到减速目的。

同时通过返回舱底部的由吸能外壳、减振材料和座椅缓冲机构组成的减振系统进一步吸收能量,从而保证航天员绝对安全着陆。

为了保证航天员和返回舱内设备的安全,4台着陆反推发动机必须在10毫秒内同时点火。除此之外,作为神舟飞船上最后工作的发动机,着陆反推发动机在点火前,还要经历发射震动、太空高低温环境、长时间真空条件等多种考验,为了保证发动机的自身素质,需要研制团队对其进行反复的试验和模拟验证。


可以说,神舟十二号的返回之路充满惊险,它能够表现如何完美,离不开幕后团队的保驾护航,最后,也让我们向所有航天工作者致敬。

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