宇航员从太空返回地球，飞船如何做到大头朝下不“翻船”？

中国人从古代开始，就对神秘的天空充满了好奇和征服欲。古时候的传说里，美貌的嫦娥因为偷吃了丈夫从西王母那里得来的药丹，飞上了月宫，成为了广寒宫的仙子。《封神演义》里，雷震子也是因为吃了师父给他的红杏，长出了肉翅，能够像鸟一样自由飞翔。

而除了神话故事志怪小说，据说我国建筑和木匠的鼻祖鲁班，有一次在与墨子论道时，拿出了一只木鹊，据说可以在飞行三天三夜不落，是古代的第一个“飞行器具”。明初时期的陶成道更是亲身上阵，成为了人类历史上第一个试图靠着火箭飞上天空的人。他虽然因为火箭爆炸而失去了生命，但对于人类航天有着非常重要的意义和作用，是人类试图探索宇宙的第一步。

而在现代社会，随着科技的不断更新，人类利用各种燃料、研究不同材料，已经完成了水陆空领域的探究，正在逐步迈向更深广的宇宙空间。而20世纪第二次世界大战以后，全世界开始发展经济壮大国家实力，当时的两个超级大国美苏开始争夺太空领域，争相研发航天技术，也因为两方大力的资金投入，人类已经初步掌握了载人航天技术。

载人航天飞船

载人飞船也被叫做是宇宙飞船，指的是能够令航天员可以在外层空间生存和工作，进行航天任务，并且在之后安全返回地球的航天器。它能够进行独立的航天活动，还能充当地面与空间站来往的运输载具，也能够对接其他航天器，并且一起运行。

而根据它本身的任务类型，载人飞船目前也被划分为行星际载人飞船、卫星式载人飞船以及登月载人飞船。然而登月载人因为种种原因，已经不再受到人类的关注，人们的重点已经投入到了火星之上，可能在2030年以后，就会出现新一类的火星载人飞船了。

载人飞船一般有四个部分组成，其中最主要的结构特点就是载人舱，如果有对接任务，飞船的最前端还会配上对接机构。轨道舱也是载人飞船飞船重要的舱段，前面是对接机构，后面则是返回舱，是航天员进行科研、吃饭、训练，以及日常睡觉的地方，有各种物资和仪器设备，甚至能够充当航天员出舱时候的气闸舱，作用非常重要。

而返回舱在轨道飞行的时候与轨道舱相接，这两个舱段被并称为居住舱。返回舱也是非常重要的，美国水星号飞船在回地球的时候自控出现问题，航天员就是在返回舱凭借手动操作顺利回到了地面。而返回舱属于是密闭的座舱，在起飞和进入大气层的时期航天员都是半躺于返回舱的座椅，上面有控制手柄，也就是防止出现水星号飞船的情况，能够自己进行手动调整，而前方的仪表板也能随时监控飞船飞行时候出现的各种情况。

最后一个是服务舱，也被叫做是仪器设备舱，前面由过渡舱连接返回舱，后面就是运载火箭，外部装着辐射散热器以及太阳能电池板，内含各种设备和装置。

从太空飞往地球的过程

2021年6月17日，我国三名航天员，即聂海胜、刘伯明、杨洪波，搭乘神舟十二号载人飞船，进行了空间站阶段第一次的载人飞行任务，成为了首批空间站“天和”核心舱的“合租人”，在一起生活了3个月。终于在2021年9月17日13点半，在万众瞩目之下，神舟十二号的返回舱带着三名航天员安全返回中国领土。

大家都知道地球是拥有着大气层的，它保护着我们免受太阳辐射的侵扰，能够“锁住”地球的水分，还有保温等多重作用。以前的人们认为，大气层的厚度大约是100公里，在这之上就是真空，没有一点空气的存在。然而科学家们在月球的轨道附近发现了气体分子的存在，也就打破了曾经的看法。

科学家们认为“地球表面的空气分子因为受到地球质量的吸引，越接近地面的，也就越稠密，反之越稀薄。”

而这100公里的高度成为了一个人类眼中的边界，也被人们叫做是“卡门线”。他们认为，从理论上来说，飞机是可以在卡门线之下航行，而卡门线之上的空气较为稀薄，无法支撑飞机飞行。而像空间站和卫星远超100公里，虽然依旧有空气存在，但是因为密度小，空气阻力也相应较弱，因此每过一段时间，为了避免掉下去，就要开启发动机提一提速度以及高度。

也正因此，处于离地面400公里距离、呈圆形的轨道上运行的天宫空间站本身就是不断运动的，返回轨道也就有着不同的变化，飞船的返回难度极其大。要知道在以前都是从固定的轨道飞回地球，而这一次难度加深几倍，要科研人员重新改进回来的算法，提高成功的概率。

神舟十二号想要回到地面，就要先一步主动脱离空间站，一般分离以后要转向90°，使轨道舱脱落并在大气层烧毁，再转向90°，推进舱开启发动机，尽量与飞船向前的速度相抵消。

第一宇宙速度也就是航天器环绕地球所要具备的速度，理论来讲，当一个物体的速度处在7.9千米/秒的时候，就能与地球的地心引力相平衡，可以绕地球运行而不会落下去。但是实际上，这个第一宇宙速度只是理论上在地球海平面的飞行速度，现实中的空间站环绕地球的速度是在7.7公里/秒，因此飞船脱离空间站时的初速度也是7.7公里/秒。

而哪怕是7.7公里/秒，也是一个非常惊人的速度了，相当于是我们在高速公里上120公里/小时最高限速的231倍之高，以这样的速度飞入大气层，飞船与空气发生摩擦，同时角度过大也会导致飞船被烧毁。因此在距离卡门线约40公里的高度时，飞船的推进舱燃料耗尽，同样功成身退安全离开，并在最后阶段调整返回舱的弹道和姿态，使它能保持良好的角度。

而为了保证航天员的安全，返回舱会用接近水平的角度进入大气层，在地球绕行十几圈来渐渐减缓速度，避免因为减速太快而威胁到航天员的生命安全，每一圈的时间大约为1.5个小时。

直到与地面距离10公里，飞船速度已经来到了200米/秒的速度，这时就会开启降落伞舱盖，各种作用的伞会依次打开，进一步减慢下降速度，再加上返回舱底部的反推发动机的作用，在距离地面2米左右时，飞船速度已经能够差不多到3米/秒，返回舱的座椅也能够吸收掉落下的冲击力，足够保证航天员的安全了。

为什么头朝下“不翻船”

在返回大气层的时候，所有的飞船都必须要保持“大头朝下”前进。因为返回舱底部被装上了一层专门的防热大底，具有着高度的耐热作用，可以保护好航天员的安全，保证返回舱不会因为高温而被烧毁。

而在大气层飞行的阶段，返回舱会与空气发生非常剧烈的摩擦，空气中的粒子会不断与飞船表面碰撞，从而产生2000多摄氏度的超高温度，熔点只有1500多摄氏度的铁都会被瞬间融化，只有头朝下，特殊的烧蚀材料作用下空气粒子只能“单相思”，自然也就安全了。

为了保证能够维持头朝下的姿势不“翻船”，返回舱的表面还有着好几个专门用来在失稳的时候调整飞行姿态的发动机，但是因为要节约燃料，所有只在发生问题的时候才会自动打开。

同时为了令返回舱本身不会受到大气层的影响，航天人员在当初设计它的时候，就将飞船的重心进行了调整，偏向下方底部的一侧，而不是在中心轴线。就像是小孩子们玩不倒翁一样，重心越低的物体，本身也就越稳定，不倒翁静止站立时重心是最低的，而偏离位置以后，支点也随之偏移，在重力势能的作用之下，就会很快回到直立的状态。

因此，飞船能够保持一定的平衡不“翻船”，不至于发生轴向的旋转，并且因为重心的位置不在中心轴线上，还可以保持一定的倾斜角度，使得飞船下降速度也不会过快，从而增加了减缓速度的时间。

航天员的付出

事实上，除了为了航天事业而默默付出的工作人员和研究人员以外，当属航天员最为艰辛。虽然说在我们普通民众看来，航天员能够飞上太空，看到我们可能一辈子都无法看到的瑰丽风景，还能够体验到“刺激”的失重环境，是一件非常有趣的事情。然而对于航天员来说，飞向宇宙，在远离人群的太空站生活整整三个月，期间可能会遭受太空辐射的侵害，日常各种行动都极为不方便。

他们是带着艰巨的任务去的，每天都有着相应的安排，并且为了减缓在失重状态下的肌肉萎缩，还要每天进行运动锻炼，然而仍然不能避免身体不适。在聂海胜他们回到地面的时候，甚至只能坐在轮椅上面，有一些航天员还会呕吐、头晕，更有甚至会得辐射病，生命安全都将遭到威胁。

不仅仅是起飞，返程途中也出现过危险。在2003年，“哥伦比亚”号航天飞机在将要到达地面的十几分钟之前发生意外，在一系列的连锁反应影响下，这架航天飞机最终爆炸解体，由一个大火球变成了四个火球降落，上面的7名宇航员全部遇难。每一个航天员都是拼了命的，都是伟大的先驱者。

也因此，虽然有着无数的工作人员为神舟十二号上的三名航天员保驾护航，但是谁也不能百分之一百保证安全性，我们的航天员是冒着生命危险来往于空间站，是将生死置之度外的。在他们从返航开始，一直到落地，所有的参试人员都是提起了一颗心脏，甚至搜救人员提前三个月在沙漠腹地进行训练，只求能第一时间捕获返回舱的落点位置。

结论

尽管太空之路还很遥远，仍旧有许多尚待攻克的问题，航天员也在冒着生命危险的情况下不断升上太空，但是为了国家的强盛，为了在全球研究太空技术的基础上不再像上个世纪一样落后，我们只能咬紧牙关，开拓创新。

在2030年，人类或许将开启火星载人计划，而这颗星球将距离地球更加遥远，需要研究的技术更加深奥，要准备的工作和数据也更加繁重和精密，正如我们现在的载人飞船，小到返回的时候头朝下，大到在太空中正常运转，都需要相关人员进行千遍万遍的推演和计算。这是漫长的，也是必要的，更是我们未来航天员踏上火星地表的一步步基石。