調姿 下降 放傘 著陸 「四步走」解析神舟十二返回過程
2021年9月17日,神舟十二載人飛船返回艙在東風著陸場順利著陸,在完成3個月的在軌駐留任務之後,太空出差三人組順利到家。 返回艙返回地球的過程充滿變數和危險,特別是在穿越大氣層之前。 這時的返回艙需要完成多項指令操作,並且以合適的角度切入大氣層,才能安全返回。
神舟十二號的隔熱大頂是最耐高溫的部分
(圖片來源:央視網)
而穿過大氣層時,艙體隔熱大頂的溫度可達到2200K至2600K,這段時間還會干擾通信。 “太空出差三人組”真是歷經艱難險阻,才回到了家。
經過前期的實際驗證,神舟系列飛船的技術已經非常成熟。 神舟十二號的成功著陸是對神舟飛船返回技術的再次驗證,同時也展現著東風著陸場保障狀態的可靠與完備。
Part.1
“四步走”——神舟十二號的返回過程!
神舟十二號組合體展示
(圖片來源:國家航太局)
在正式「歸家」前,神舟十二號的返回過程已經經過了十多次的實戰演練,相關技術已經相當成熟。
完整的返回過程可以總結為「四步走」。。
第一個階段是神舟十二號脫離空間站,調整姿態。
首先,神舟十二號逆時針轉動90°,原來在前邊的軌道艙調整到左側,推進艙變為右側,變成橫向飛行。 此步驟的目的是與軌道艙分離,神舟十二號由三艙組合體變成了兩艙組合體。
而後,再逆時針旋轉90°,變成推進艙在前,返回艙在後的姿態,與脫離空間站時的朝向剛好相反。 此步驟是神舟十二號第二次調姿,以便讓推進艙朝前,並在調整俯仰角之後啟動發動機,利用發動機制動降低速度。
隨後,神舟十二號進入返回第二階段,返回艙和推進艙的雙艙組合進行無動力自由下降。
雙艙從393公里高度開始下降,而到140公里高度時,推進艙會和返回艙分離,此時的返回艙又要選擇好正確的再入姿態角,以便剛好切入地球大氣層。
再入姿態角可很有講究,如果角度太大,那麼飛船速度就不容易控制,如果角度太小,會被稠密的大氣層給彈回,就像打水漂那樣。
第三個階段是再入大氣層。
此時返回艙高度在100公里左右,以約7公里每秒的速度進入地球大氣層,這時候返回艙與大氣層劇烈摩擦,在地面上看就像是流星一般。
經歷高溫,燒蝕塗料燒掉之後留下的黑色痕跡
(圖片來源:央視截圖)
返回艙前端的隔熱大頂溫度為2200K至2600K,這個溫度都與航空發動機中燃燒室的溫度相當。
返回艙通過燒蝕材料來對抗高溫,需要控制好姿態保持受熱符合防熱設計,此時,返回艙也會被等離子體層包裹,形成黑障。 當高度下降到40公里時,黑障才會消失,在此之前,地面與返回艙的通信是中斷的。
第四個階段就是傘降減速和著陸。
在距離地面大約10公里的高度,返回艙打開引導傘,引導傘張滿之後繼續拉出減速傘。
返回艙還在降落時,保障直升機就已經發現其位置
(圖片來源:央視截圖)
高度在8公里時,減速傘與返回艙分離,之後釋放主傘。 接著就是緩慢降落的過程,在距離地面5公里的高度時,返回艙拋棄隔熱大底,這樣可以露出反推發動機,並在接觸地面前,離地1米高度時啟動4台反推發動機,進行最後一次減速。
最終,飛船以2米每秒的速度接地。 接地后,如果風太大導致主傘拖著返回艙跑,太空人可以手動切斷主傘。
神舟十二號返回艙降落地面
(圖片來源:央視截圖)
Part.2
動態返回加測控保障 兩大技術應用是亮點
為了充分保證太空人的安全,整個返回過程已經進行了十多次實踐檢驗。 不僅如此,這次神舟十二號返回時還應用了兩大亮點黑科技。
第一個亮點技術是,用動態適應的返回技術取代以往定時定點的返回方式。
此舉的優勢在於可以根據飛船的實時彈道情況進行著陸點預測,這樣就可以精確控制返回彈道,準確把握著陸點位置,該技術處於同行領先地位。
根據返回艙返回的視頻畫面,我們可以看出,在返回艙還沒有接地的時候,地面保障團隊的直升機就已經抵達附近,這說明我們對返回艙彈道和著陸點判斷是非常精確的。
同時,動態適應的返回技術也縮短了返回時間,使返回艙不再需要”卡著時間點”返回,而是只要滿足了條件就能返回,這會縮短太空人返回地面的等待時間,對接下來空間站常態化運營有非常大的説明。
第二個技術亮點是以天基為主的測控保障,該技術利用了3顆天鏈中繼星進行天基測控。
從神舟十二號脫離軌道,到推進艙分離,從393公里高度到140公里,都由天鏈衛星進行測控支援。 這樣做的優勢在於降低了返回過程對於地面觀測站的依賴。
作為新的測控方式,天基測控也是行業領先,這相當於整個返回過程都處於天鏈衛星的監控之下。 相去天淵的”監測”,也展示出航太科技的技術底蘊。
Part.3
空間站的常態化運營
神舟十二號已經成功返回,不久之後天舟三號和神舟十三號將接力”直衝雲霄”了,而未來,也會有更多的航天任務。
這裡有一個原則,神舟飛船採用的是滾動備份的發射模式。
當神舟十三號準備發射的時候,神舟十四號也已經完成發射前的各項準備工作;
當神舟十三號確定了安全對接空間站后,神舟十四號才會轉入備份模式,真真是”有備無患”了。
滾動備份的模式是為了充分確保太空人的生命安全而設置的,這也將是天宮號空間站常態化運營的輪轉方式。 下一步,神舟十三號的太空人將在軌停留6個月,而長達半年的太空之旅也會是今後空間站運營的標準配置。
從神舟五號,到神舟十三號;飛行時間從21小時28分,到6個月…… 太空人能在太空中停留的時間越來越長,去往太空也會變得越來越容易。
我們相信,中國航太將會不斷突破,探索宇宙的腳步會走得更遠、更穩。