升空與返航的奧秘

文天 星

航天器在太空飛行，航天飛行控制中心的工作人員需要知道航天器在哪兒。宇航員要回到地球，也需要知道自己在哪兒。那么，如何才能確定方位呢?

1609年至1619年，開普勒發(fā)表了行星運動三大定律，描述了開普勒軌道，確立了現(xiàn)代天文學(xué)，發(fā)起了一場科學(xué)革命。任何開普勒軌道都可以由6 個參數(shù)定義，即軌道六要素：半長軸、偏心率、軌道傾角、升交點赤經(jīng)、近地點幅角和真近點角。軌道六要素是開普勒基于行星環(huán)繞太陽的橢圓運動而提出的一種描述軌道的方法。

在地球軌道要素圖中，軌道平面(黃色)與參考平面(灰色)相交。對處于地球軌道上的衛(wèi)星來說，參考平面通常是地球的赤道面。

根據(jù)開普勒軌道六要素，可以用數(shù)學(xué)方法描述和了解天體飛行軌道的大小、形狀、方向、方位和變化等。由于其他天體的引力擾動和廣義相對論的影響，一個真實的軌道及其軌道要素會隨著時間而變化。開普勒軌道要素是一個理想的、在特定時間的軌道近似值。

在完全球形中心體和零擾動的理想條件下，除平均異常外，所有軌道要素均為常數(shù)。平均異常隨時間線性變化，隨平均運動縮放。航天器高度智能化，能夠自主進行精確的軌道預(yù)測、測控和導(dǎo)航，按照預(yù)定和最佳軌道飛行。

為了精確地進行飛行控制，航天科技人員在地面設(shè)置了測控站和測控船，在太空中部署導(dǎo)航衛(wèi)星。根據(jù)測控站、測控船、導(dǎo)航衛(wèi)星提供的數(shù)據(jù)，航天飛行控制中心的工作人員和宇航員可以計算出天體、航天器的軌道六要素和衛(wèi)星星歷，從而清晰地確定航天器在任何時間的空間位置。宇航員想要回家，就變得容易了！

地球軌道要素圖

垂直起飛

水平降落

升空與返航方式

在天空中，航天器按照空氣動力學(xué)的相關(guān)原理飛行。而在太空中，航天器則按照軌道力學(xué)、天體動力學(xué)和太空動力學(xué)的相關(guān)原理飛行。在經(jīng)歷太空飛行后，絕大多數(shù)航天器會在返回地球的過程中被燒毀。只有飛船、航天飛機、太空飛機和返回式衛(wèi)星等航天器會返回地球著陸。

航天器的起降方式可分為3 種：“垂直起飛，垂直降落” “垂直起飛，水平降落”和“水平起飛，水平降落”。其中，“垂直起飛，垂直降落”這種方式適用于飛船、返回式衛(wèi)星等航天器。它們搭乘運載火箭發(fā)射升空，突破卡門線，進入太空的預(yù)定軌道。完成飛行任務(wù)后，慢慢降低軌道，進入地球大氣層，打開降落傘。在著陸前的最后1 秒，反推發(fā)動機點火，減小著陸的撞擊力，安全著陸。

“垂直起飛，水平降落”這種方式只適用于航天飛機。在航天發(fā)射中心，火箭點火發(fā)射，將航天飛機送入太空中的預(yù)定軌道。完成飛行任務(wù)后，航天飛機慢慢降低軌道，進入地球大氣層，利用空氣阻力，水平降落在機場。

而“水平起飛，水平降落”這種方式只適用于太空飛機。太空飛機是一種能自主起飛，進行太空飛行和降落的飛機。太空飛機從機場起飛，突破卡門線，飛上太空。水平起飛又分為一級起飛和二級起飛2 種方式。其中，一級起飛是指太空飛機利用自身的動力，飛上太空。二級起飛是指太空飛機搭乘一架運載機升空，運載機在萬米高空釋放太空飛機，太空飛機再利用自身的動力，進入太空預(yù)定軌道。完成飛行任務(wù)后，太空飛機慢慢降低軌道，進入地球大氣層，利用空氣阻力，降落在機場。

“神舟十三號”飛船返回艙著陸

航天器的著陸方式可分為陸地著陸和海洋濺落2 種。目前，俄羅斯的“聯(lián)盟號”飛船、我國的“神舟號”飛船、美國宇航局的“獵戶座”飛船、波音公司的“星際線”載人飛船采用陸地著陸的方式。美國宇航局的“阿波羅號”飛船以及美國太空探索技術(shù)公司的“龍”飛船采用海洋濺落的方式。

按照航天器的著陸技術(shù)，又可分為硬著陸、軟著陸和飛行著陸3 種方式。硬著陸是指早期的飛船、返回式衛(wèi)星等利用地球引力、空氣阻力和降落傘著陸，直接撞擊地面?，F(xiàn)在，世界各國已經(jīng)不再使用硬著陸方式。軟著陸是飛船、返回式衛(wèi)星等利用降落傘減速，再使用反推發(fā)動機點火，安全著陸。飛行著陸是指航天飛機、太空飛機利用空氣阻力，在機場跑道上安全著陸。

『阿波羅11號』飛船海洋濺落

重返地球

航天器受控進入地球，被稱為“地球再入”或“重返地球”。這個過程分為進入、下降和著陸3 個階段。

進入階段：航天器從原來的高軌道變軌，環(huán)繞地球軌道飛行，漸漸下降到150 千米的低軌道上。150 千米的低軌道，號稱“死亡軌道”，航天器一旦進入死亡軌道，就再也回不到更高的軌道。地球引力和空氣阻力將限制航天器再飛升。航天器從150千米的低軌道繼續(xù)下降，漸漸進入100 千米的卡門線，接近地球。

返回艙重返大氣層

下降階段：航天器一旦進入卡門線，就進入了地球的濃密大氣層。在地球引力和重力加速度的作用下，航天器墜落得越來越快。在墜落過程中，航天器與空氣摩擦，溫度迅速升高，激發(fā)火焰。大氣阻力會給航天器施加機械壓力。這可以導(dǎo)致體積較小的航天器完全燒毀，體積較大的航天器表面燒蝕，甚至完全解體，而抗壓強度較低的航天器可能直接爆炸。

隨著高度降低，空氣密度越來越高。在空氣阻力的作用下，航天器墜落得越來越慢，火焰也越來越小。隨著高度進一步降低，地球引力和重力加速度加大，航天器仍然以高速接近地面。

在地球再入過程中，航天器必須從每秒7.9 千米的第一宇宙速度減速到超音速，再減速至亞音速。

著陸階段：當(dāng)距離地面10 千米以下，航天器才能展開降落傘或打開空氣制動器。在著陸前的最后1 秒，航天器底部的反推發(fā)動機點火，巨大的火焰噴射，達到減速的目的，保證航天器能夠平穩(wěn)著陸。

風(fēng)險與挑戰(zhàn)

航天活動充滿風(fēng)險和挑戰(zhàn)。無論以哪種方式返航，或以哪種技術(shù)著陸，都可能遭遇意外，危及生命。太空飛行最容易出現(xiàn)意外狀況的時候是上天和落地，也就是火箭起飛和飛船返回地球的階段。世界航天史上，就有7 名美國宇航員在火箭發(fā)射起飛階段獻出了寶貴的生命，4 名蘇聯(lián)宇航員和7 名美國宇航員在返回地球階段犧牲。除了在執(zhí)行飛行任務(wù)期間出的事故外，還有12 名蘇聯(lián)和美國宇航員、試飛員在訓(xùn)練或測試期間殞命。

1967 年4 月23 日，蘇聯(lián)第一艘“聯(lián)盟”系列載人飛船——“聯(lián)盟1 號”從拜科努爾航天中心順利發(fā)射。搭乘“聯(lián)盟1 號”載人飛船的宇航員是弗拉基米爾·科馬洛夫，呼號為“紅寶石”?！奥?lián)盟1 號”載人飛船剛升空不久，自動控制系統(tǒng)便完全失效，手動控制系統(tǒng)僅部分有效，造成機動和方向失控。之后，飛船便完全失控了！在預(yù)定軌道運行至第19 圈時，弗拉基米爾·科馬洛夫利用手動控制系統(tǒng)操作，飛船進入了返回軌道。

“阿波羅15 號”飛船返回艙曾遇險，3 個主降落傘中有1 個沒有打開

然而，著陸前意外再次發(fā)生，主降落傘沒有打開！弗拉基米爾·科馬洛夫急忙打開備用降落傘，但它與減速傘糾纏在了一起。這時，返回艙變成了一個烈焰四射的“鐵球”，以約40 米/秒（即144 千米/時）的速度直墜。最終，返回艙撞擊在荒原上。弗拉基米爾·科馬洛夫是蘇聯(lián)，也是世界上第一位兩次飛入太空的宇航員，同時也是世界上第一個在太空任務(wù)中殉職的宇航員。

太空探索是全人類的理想，也關(guān)乎全人類的福祉。無論面臨多大的風(fēng)險和挑戰(zhàn)，太空探索不會就此停滯不前，宇航員也不會因此而畏縮不前。生命雖然只有一次，十分珍貴，哪怕犧牲，生命也要開出美麗的花朵。

名詞卡片

半長軸：橢圓長軸的一半，長軸是過焦點與橢圓相交的線段長。

偏心率：即離心率，是用來描述圓錐曲線軌道形狀的數(shù)學(xué)量。

軌道傾角：簡稱傾角，指航天器繞地球運行的軌道平面與地球赤道平面之間的夾角，分為順行軌道、逆行軌道和極軌道。

升交點：天體沿軌道從南向北運動時與參考平面的交點。

升交點赤經(jīng)：衛(wèi)星軌道的升交點與春分點之間的角距。

近地點幅角：軌道近地點與升交點之間對地心的張角。

真近點角：天體從近地點起沿軌道運動時其向徑掃過的角度，是某一時刻軌道近地點到衛(wèi)星位置矢量R 的夾角。

延伸閱讀

太空遇難記

1971 年4 月19 日，蘇聯(lián)發(fā)射了人類第一座空間站——“禮炮1 號”。“聯(lián)盟11 號”是第一艘對接“禮炮1 號”空間站的飛船，搭載有3 名宇航員，他們分別是多布羅沃爾斯基、沃爾科夫和帕查耶夫。

擔(dān)任指令長的多布羅沃爾斯基（左）、帕查耶夫（中）和沃爾科夫（右）

1971 年6 月29 日21 時，“聯(lián)盟11 號”飛船與“禮炮1 號”空間站分離，進入返航飛行。由于飛船的空間狹小，宇航員們都未穿宇航服。

6 月30 日1 時35 分，“聯(lián) 盟11 號”飛船按程序啟動制動火箭，朝下降落。在再入大氣層前，返回艙和軌道艙順利分離。這時，“聯(lián)盟11 號”飛船已經(jīng)環(huán)繞地球飛行了23 天18 小時22 分鐘，共計383 圈。

1 時35 分0 秒：飛船高度為168 千米。突然，返回艙上的壓力閥門被震開。

10 秒：艙內(nèi)空氣立刻逃逸，隨即氣壓下降到致命的程度。氣閥位于宇航員的座椅下方，但無法定位和擰緊。

40 秒：飛行數(shù)據(jù)記錄器中的生物傳感器顯示，宇航員們已無生命體征。

1 時38 分32 秒：艙內(nèi)氣壓降到0。

2 時02 分，地面飛行控制中心的工作人員看著“聯(lián)盟11 號”飛船進入大氣層，準(zhǔn)確降落在指定地點。搜索大隊發(fā)現(xiàn)了目標(biāo)。返回艙在降落傘的減速下，順利著陸。

搜索大隊的工作人員打開艙蓋，大吃一驚，只見3 名宇航員安詳?shù)刈谧约旱淖簧?，沒有一點動靜。醫(yī)生們立即拖出宇航員，就地搶救，可惜回天乏術(shù)。

后經(jīng)分析證實，飛船存在壓力閥門設(shè)計錯誤、自動返回程序控制錯誤等嚴(yán)重問題。當(dāng)返回艙與軌道艙分離時，返回艙的2 個壓力閥門中的1 個被震開，艙內(nèi)寶貴的空氣立即外泄。隨即氣壓迅速降低。在手動控制氣壓閥的設(shè)計上，設(shè)計師又犯了一個天大的錯誤。那是一個用手?jǐn)Q緊的閥門，關(guān)閉它至少需要2分鐘時間，而艙內(nèi)空氣只需1 分鐘就會全部逃逸。

經(jīng)病理解剖檢查證實，宇航員們因急性缺氧，體內(nèi)的血壓致命性升高，血液突然涌入腦部，體液沸騰，引起血栓身亡。他們的遺體都呈現(xiàn)腦溢血、肺部充血、耳鼓膜破損和血痰的現(xiàn)象。

“聯(lián)盟11 號”飛船的宇航員，是世界上第一批在空間站居住過的宇航員，也是唯一一批死于太空的宇航員。

英雄們的葬禮