神舟十三号返回，两大技术难题尤为关键，引起西方国家密切关注

三位“出差”太空的中国航天员要凯旋归来了！

2021年10月16日凌晨23分，我国发射的神舟十三号载人飞船，搭载了三名航天员，分别是翟志刚、王亚平和叶光富，这次，他们在太空一呆就是半年，创下了我国航天历史上的最长记录。

而在近日，神舟十三号即将返回，世界各国都在持续关注，特别是美国，它特别关注神舟十三号返回的两大黑科技，因为这两个黑科技，关系着他们航空母舰的安危。

在揭晓两个黑科技之前，我们先来了解一下神舟13号返回是一个什么样的过程？

当飞船在太空中飞行最后一圈时，地面将向飞船注入返回指令，飞船开始制动进入大气层。

返回舱高度下降至100公里左右时，进入“再入”大气层‬阶段，大气密度持续增大，为返回舱提供减速的同时，舱体表面与大气层摩擦产生了恐怖的高温，达到2000摄氏度以上，在红外光学跟踪成像显示中，返回舱如同一颗壮观的“白昼流星”。

虽然如此，但返回舱内的温度却能维持在27摄氏度左右，内部的航天员几乎感觉不到温度的变化。这是由于返回舱在设计时就穿上了特殊的隔热材料，使得内表面舱的温度维合适的温度。

当‬返回舱‬将至‬距‬地面‬35到80千米的大气层间，会有一个4到6分钟的“黑障区”，现今的航天员必须穿着宇航服经历这个黑障区。

所谓"黑障"，那是因为空气阻力，飞船表面和周围气体摩擦产生巨大热量，形成一个温度高达几千摄氏度的高温区。高温区内的气体和返回舱表面材料的分子被分解和电离，形成一个等离子区。这个等离子区就像一个套鞘似地包裹着返回舱。由于等离子体能吸收和反射电波，会使返回舱暂时失去与地面的联系，这种现象就称为黑障。

隔绝通信听起来很轻巧，其实危险程度远超我们的‬想象。在黑障区‬的4~6分钟期间，地面完全失去对飞船的遥控能力，一切只能取决于返回舱的自主控制能力。

等到返回舱距离地球高度40公里左右时，黑障消失，返回舱恢复与地面通信联系，继续下降。

当到约10公里高度的地方，引导伞、减速伞、主伞三种着陆伞依次打开，为返回舱提供多次的缓冲。

一、引导伞

引导伞同时也是个头最小的伞，它起到的作用是承受最大的力量，同时把减速伞从伞舱里扯出来。

二、减速伞

减速伞起到的作用就是减速，让返回舱从200m/s减速到90m/s左右，确保最大的主伞可以平安打开。

三、主伞

主伞是最大的伞，面积可以达到1200平方米，是我国目前所有航天器里最大的一个降落伞。它把减速伞90m/s的速度降到了8m/s，可以说是返回舱减速的关键。

返回舱继续低速接近地面的过程中，会抛掉防热大底，在距离地表只有1米左右时，底部的反推发动机点火，把速度降到2m/s以下，返回舱平稳着陆，航天员迅速切断伞绳，以防风把返回舱带走。

这就是返回的全过程。

在整个飞船返回阶段，飞船穿越“黑障”区将是最为惊心动魄的时刻。

从20世纪50年代起，世界各国就开始研究黑障及其消除方法，一方面通过设计比较理想的返回‬舱‬的外形，以‬达到‬‬减弱‬隔离‬屏障‬的‬目的‬，或者‬喷洒某种消除等离子的材料来消除或减弱等离子鞘。

另一方面改良通信与测量的方法和设备，以减弱黑障区的影响，例如，提高信号的频率和功率，将天线安装在等离子鞘最薄的位置等。

但是这些方法只能缩短信号中断的时间，还不能完全解决再入黑障问题。

截至目前，就连美国、俄罗斯和欧洲等航天大国对此也依然没有‬最佳的‬办法‬，黑障通信问题依然是每个航天国绕不过去的弯。

既然黑障通信问题，暂时无法解决，那就只能尽量缩短黑障区‬前后的雷达‬捕捉‬时间，在黑障结束的时候，尽快的和飞船恢复联系，哪怕是提前了1秒，都是对航天员最大的生命保障。

我国的神舟系列，对此做了很多的改变。

在1999年11月21日，神舟一号返回时，在通过黑障区后，地面雷达及时捕获住了飞船，并及时将测量数据传递给统一测控系统，飞船安全着陆，圆满完成了首飞任务。

但是专家在复盘返回全程的时候，发现了一个问题，神舟一号在出黑障区的前后，雷达跟踪出现了丢失20多秒的情况，在之后的神舟二号任务中，再次出现了相同的情况。

航天专家们一度以为是雷达设备本身的缺陷，但是经过反复的研究，并不存在这样的问题，于是他们通过两次任务数据，反算出飞船的飞行状态，通过建立数学模型，计算出包围飞船周围等离子体的密度，应用电磁场理论，进行进一步的分析。

最后得出了飞船出"黑障区"后雷达目标特性变化剧烈，信号必然丢失的结论。

为了解决这个问题，尽可能缩短雷达目标丢失时间，专家们经历了无数个日夜，找到了解决的办法。

人工记住飞船丢失时的位置，计算它的速度值，提前计算出后面几个时间飞船的位置，再人工拉动雷达天线，雷达重新搜索、捕获目标。这个办法叫做"人工预报等待点引导方式"。

在之后的神舟三号任务中，当雷达信号出现丢失时，通过这样的方式，18秒就把飞船重新捕获。在神舟四号任务中，引导雷达不到16秒就把飞船重新捕获。神舟五号任务中，不到15秒就把神舟五号飞船重新捕获住。

但是专家们还是不满意，认为这两种方法均有局限性，"人工预报等待点引导方式"精度较差，自动化程度差。于是他们通过建立数学模型，拟合任务数据，编写了一个雷达自动化捕获软件，被称作“雷达回收一号”。

在‬神七任务中，他们利用‬雷达‬回收一号‬，以及‬人工‬辅助‬手段‬，精心测控，最终创造了飞船出"黑障区"目标丢失后雷达重捕时间不到11秒的佳绩。

后来，“回收一号”又经过升级改造，提高系统性能、可靠性、精准度，在神舟九号任务重，创造了5.7秒的重新捕获时间记录。

在嫦娥探月工程三期再入返回飞行试验中，采用雷达弱小目标和目标出黑障前后丢失快速重捕策略，丢失不到3秒，就被重新捕捉。

就是这样，在黑障通信问题没有攻克的前提下，我国的神舟系列就是靠这样的方法，最大程度的减少了黑障区的危险时间。

神舟‬十三号‬返回两大黑科技

在2012年，中国《航空学报》发表一篇论文，这篇论文由中国空间技术研究院载人总体部所作，其中透露了关于载人航天和中国空间科技的众多进展。文中有一句提到了“神舟‬飞船系列‬具备一系列先进特性，例如‬黑障通信、自备动力逃逸技术，快速‬返回‬技术‬等‬。

这段平常无奇的叙述却揭示了中国航天不知不觉完成了两大人类“黑科技”般的跨越：可以突破黑障，进行黑障通信；以及精准‬的‬变轨‬和‬快速‬返回‬技术‬。

黑科技一：

飞船在黑障区，包裹于飞行器表面的电离气体被称作“等离子鞘”，它会切断飞行器与外部的通信联系。

面对黑障通信这个困扰全球航天界几十年的大难题，我国航天科学院经过了数年的研究，发现了等离子体鞘套电波传播过程中的若干新机理，并在信息传输理论方面有所突破，找到了改善等离子鞘套包覆条件下飞行器信息传输质量的可能途径。

然后设计并建造了“动态等离子鞘套模拟系统”，在国内首次在实验室环境下实现电子密度连续可控、大尺度、长时间持续的等离鞘套模拟，并成功进行了地面“黑障”的连续再现，直接应用于某重大型号的地面测试任务。

这一系统‬的研制可以‬对最终解决“黑障”难题、实现临近空间高速飞行器全程测控与可靠探测、拓展等离子体电磁物理学前沿研究产生重要意义。

黑科技二：

在神舟十三号返回时，我们还将采用一项此前从没有实现过的太空技术——快速返回技术。

在2021年‬，神舟十二号返回时，飞船先是与空间站分离，然后绕着地球转动，以大约每秒7.7公里的速度绕着地球飞行，每隔大约1.5小时绕地球转一圈，对各种轴向、径向等技术参数进行验证，在一切准备就绪之后，最后再进入到返回步骤，一整套流程下来，至少需要24小时。

神舟十二号绕着地球转了18圈，飞行了大约27.5小时后， 从开始点火制动，到最终在地面上安全着陆，神舟十二号用时49分钟。从飞船脱离空间站，到最后在地球上着陆，神舟十二号用了28.3小时。

由此可见，想要加快返回的速度，关键是要缩短点火制动前的时间，尽快找到飞船着陆的时间窗口。

那到底什么是“快速返回技术”？

也就是说，在载人飞船分离之后，省去多个环节，直接返回东风着陆场，神舟十三号将会绕地球转5圈，耗时大约7.5小时。随后，飞船点火制动，脱离轨道，再入大气层，最终在东风着陆场降落，耗时也是大约49分钟左右。从脱离空间站，到最后在地球上着陆，神舟十三号预计将耗时8.3小时，这要比神舟十二号的返回时间缩短了20小时。

这两大“黑科技”在军事上的意义是什么呢？

美国为什么一直虎视眈眈的盯着神舟十三号呢，这是‬有原因‬的‬。

目前美国航母战斗群是世界上最强大的舰艇编队，不过这个舰艇编队也有弱点，并不是无坚不摧。

首先就是‬在极为重要的防空防御方面，航母本质上就是一个可以移动的海上机场，其体型十分庞大，但是就其本身而言，舰体的防御能力却非常弱。

虽然美国航母的反导防空系统，针对一般目标的拦截能力非常强，成功率也非常高，但是针对超高速目标的拦截成功率则要低得多，这就使得超高速攻击武器成为打击航母的一种重要方式，例如我国的东风-21和东风-26，就是这样的中远程导弹。

弹道导弹一般用来攻击地面固定目标，只需要计算好弹道，按照一定的时间和角度转向就可以命中目标。但航母是移动目标，要攻击移动目标首先就要在战斗部上安装引导头、转向装置以及调姿火箭等。

虽然这些改装有一定的难度，但是对于航天大国来说难度并不高，我国神舟十三号的快速返回技术，能够在最短的时间里，实现几十次的变轨、调姿，这完全能应用在导弹技术上，对于打击移动的航母目标来说，理论上是一致的。

所以，这就是美国关注神舟十三号快速返回技术的原因。

其次呢，弹道导弹发射后，会进入大气层外飞行，最高可达到20倍音速，然后进入大气层后，由于空气的阻力会逐渐降低，到最后末段可能只有六七倍的音速，所以，弹道导弹也和神舟飞船一样，同样存在着黑障区。

如果弹道导弹要打击移动的航母目标，导弹再入大气层后，因为它速度极高，在进入黑障区后，这会导致用于通信的电磁波传输衰减，甚至或断联，此时制导系统也无法实现变轨调资的动作了。

所以说，弹道导弹要打击航母目标，需要突破的最大技术难关是黑障通信，而我们上面已经提到了，我国研制的“动态等离子鞘套模拟系统”，已经在试验阶段了，有可能在神舟十三号返回任务重，就会做初步的论证试验。

相信在不久之后，东风-21和东风-26就会具备黑障期内制导的能力，到时候，美国航母的反导系统拦截能力就大打折扣了。

黑障区通讯技术的突破，这不仅仅大大提升了中国航天水平，更使得我们的反舰武器精度更高，能更早得发现敌方航母编队。而后期的机动变轨能力，则让任何拦截企图变成了泡影！

由此可见，我国的神舟十三号返回任务的两大黑科技，如果都应用在军事导弹上，对于航母是有很大的威胁力的，所以，美国才对我们神舟十三号，特别的关注。

今年年内，我们将发射2个空间站实验舱、2艘载人飞船、2艘货运飞船，再将6名航天员送入中国空间站。神舟十四号、神舟十五号两个乘组6名航天员将在太空“会师”。

最后，祝愿我国的航天事业越来越好。

#奇妙知识季#

感谢阅读，点个关注再走呗~