“一路剎車”，保證航天員順利“回家”

文/顧航瑜

400千米的路程，如果乘坐以300千米時速馳騁的高鐵，1個多小時就能跑完。如果是從太空乘坐神舟飛船歸來，以約7.8千米/秒即約2.8萬千米的時速啟程，需要多久飛完？答案是半個多小時。也就是說，航天員想要“精準到達家門”，即使歸心似箭，也要跟著飛船“一路剎車”，才能保證順利到家。

▲ 回收試驗隊幫助航天員出艙

▲ 神舟十六號載人飛船與空間站組合體分離

航天員“回家”用時多長？

10月30日20時37分，神舟十六號載人飛船與空間站組合體成功分離，航天員景海鵬、朱楊柱、桂海潮告別了在軌生活工作約5個月的中國空間站以及剛剛會面的神舟十七號載人飛船隊友，踏上了“不斷減速”的“回家”路。

10月31日7時21分，北京航天飛行控制中心通過地面測控站發(fā)出返回指令，神舟十六號載人飛船軌道艙與返回艙成功分離。之后，飛船返回制動發(fā)動機點火，返回艙與推進艙分離。8時11分，神舟十六號載人飛船返回艙在東風(fēng)著陸場成功著陸。

“本次任務(wù)繼續(xù)采用快速返回技術(shù)?！焙教炜萍技瘓F五院回收試驗隊總體負責(zé)人彭華康介紹，“載人航天，人命關(guān)天，處于高速運動狀態(tài)的返回艙一旦中途出現(xiàn)故障，外界無法采取營救措施，所以我們會用最成熟穩(wěn)定的技術(shù)將航天員盡快接回家?！?/p>

航天員想“回家”，雖然不用買票和候機，但他們首先要坐著返回艙繞地球飛行幾圈，這成為返程路上最耗時的部分。自從2022年神舟十三號載人飛船開始采用快速返回技術(shù)后，航天員不用再像先前那樣繞地球11圈，才能找到合適的時機，再入大氣層。如今，在告別空間站后，正常情況下，返回艙只需要繞地球飛行5圈，就會正式進入返回軌道。神舟飛船繞地球一圈耗時約90分鐘，這樣算來，現(xiàn)在航天員“回家”比“神十二”航天員至少快了近10個小時。

值得注意的是，直線距離400千米的路程走大概12個小時并不算快，但如果算上返程走過的總路程20多萬千米，航天員相當于是以“火箭速度”沖回家了。

“繞飛過程中，飛船也沒‘閑著’，會通過標定不斷對飛船的軌道進行精確校準與修正，還要進行返回參數(shù)計算，例如發(fā)動機什么時候開始工作、工作多長時間等，為最后瞄準做準備。”彭華康解釋，“可以理解為在決定什么時間、什么地點用什么姿態(tài)踩‘剎車’?！?/p>

完成繞飛后，返回艙會離開原來的軌道，正式通過返回軌道進入大氣層?！霸谶M入大氣層前，飛船還要進行一些姿態(tài)和方向的調(diào)整。如果角度太大，航天員會承受巨大的過載，飛船也容易燒毀；如果角度太小，飛船就很有可能無法順利進入大氣層。”彭華康介紹。

此時，航天員距離正式著陸只有半個小時左右的路程了。

飛船返回要做幾次減速？

神舟飛船以約7.8米/秒的速度從太空返回地球，還要穿越大氣層，可以說是危險重重。為此，技術(shù)人員設(shè)置了不同的減速方式組合，幫助飛船返回艙穩(wěn)穩(wěn)落地。

首先是制動階段的減速。

▲ 神舟十六號載人飛船撤離空間站后調(diào)整軌道示意圖

“如果制動不正常，返回艙就無法進入大氣層，速度就降不下來?！迸砣A康介紹，等飛船進入繞行的最后一圈，會進行一次姿態(tài)調(diào)整，首先是旋轉(zhuǎn)90度，便于返回艙、推進艙告別軌道艙。之后兩艙再轉(zhuǎn)90度，推進艙朝前推進，發(fā)動機點火工作大約150秒后，第一次減速結(jié)束，返回艙和推進艙開始自由下降。

在距地球145千米的時候，推進艙與返回艙分離，推進艙燒毀。返回艙帶著航天員繼續(xù)下降，到達近地點100千米的位置。

第二次減速就是眾所周知的“再入大氣層”了。

在返回艙與大氣層劇烈摩擦下，艙外溫度達到上千攝氏度，也就是在這個階段，航天員可以通過舷窗看到外面的火花四濺。

彭華康介紹，飛船進入大氣層有兩種方式：一種是無控式；另一種是有一定控制的形式，即返回艙具備一定的機動能力，使減速的過程可以稍加“緩和”，神舟飛船采用的就是這種形式。

▲ 返回艙再入大氣層示意圖

這個階段中，最重要的是把返回艙調(diào)整到一個正確姿態(tài)，以升力控制的方式再入。返回艙自帶的發(fā)動機會把它調(diào)整為防熱能力更好的狀態(tài)——防熱大底朝前，否則，會非常危險。其實，飛船上的GNC（制導(dǎo)導(dǎo)航與控制）系統(tǒng)會在這個階段全自動駕駛飛船返回地球。即使是在無法與地面溝通聯(lián)系的黑障區(qū)，GNC系統(tǒng)也會控制返回艙自帶的發(fā)動機有序工作，將返回艙始終保持在一個正確的姿態(tài)。

等飛船還剩大約10千米路程的時候，降落傘“出場”，第三階段的減速就正式開始了。

▲ 傘降過程中的返回艙特寫

▲ 返回艙傘降減速

▲ 返回艙著陸瞬間

大家常常在電視直播畫面中看到的紅白花傘，就是返回艙的主降落傘，展開后，面積足足有1200平方米，相當于3個籃球場那么大。

其實，龐大的主降落傘并不能直接“接手”快速下降的返回艙，設(shè)計師們巧妙設(shè)計了一套三級開傘程序，即先打開兩個串聯(lián)的引導(dǎo)傘，由引導(dǎo)傘拉出一頂減速傘。減速傘先把返回艙的速度由200米/秒減至90米/秒。在距離地面約8千米時，減速傘與返回艙分離，主降落傘開始“上崗”，將返回艙的速度由90米/秒降為8米/秒。

▲ 回收試驗隊處置返回艙

大家會發(fā)現(xiàn)，返回艙著陸的一刻總是伴有火光，其實這是返回艙的第四次減速過程——反推發(fā)動機開始工作了。

在距離地面6千米時，返回艙的防熱大底會被拋掉，4臺反推發(fā)動機正式“露面”。當返回艙距離地面1米左右時，反推發(fā)動機點火，通過給返回艙一個向上抬的力，達到進一步減速的效果。最終，返回艙以1～2米/秒的速度完成著陸緩沖。

最后，一路“不斷減速”的航天員順利“到站”。為了迎接3名航天員安全歸來，回收試驗隊提前進行了3次全流程桌面推演和2次全系統(tǒng)綜合演練，重點對正常和故障處置流程、故障預(yù)案、處置程序、安全要求、關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行學(xué)習(xí)與演練，并聯(lián)合著陸場系統(tǒng)對薄弱環(huán)節(jié)進行了演練與驗證，目標就是確保萬無一失。

可以說，自1999年神舟飛船第一次飛天起，“平安歸來”成為之后每一次載人航天任務(wù)出發(fā)時的美好期待，也成為每一次任務(wù)結(jié)束的圓滿句號。