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为什么飞船能够从太空安全回家?

2003年10月15日,中国第一位航天员杨利伟乘坐“神舟五号”载人飞船,在太空飞行了21小时23分钟之后顺利返回地球。飞船返回舱在内蒙古四子王旗着陆。

“神舟”飞船在轨道上运行的速度高达7.9千米/秒,要想进入大气层,首先要做的就是制动:制动发动机开始工作,使飞船的轨道高度不断降低,降低到一定高度后,飞船调姿,进入返回姿态,然后返回舱与轨道舱、推进舱分离,开始进入大气层。飞船的减速过程和进入大气层的轨道是经过精确计算的,要求非常精确,必须在特定高度以合适的“再入角进入大气层。如果再入角过陡,会导致返回舱进入大气层的速度过快,发生剧烈摩擦而烧毁;如果再入角过于平缓,又会像打水漂的瓦片一样被大气层“弹”回外层空间,很可能再也无法返回地面。1965年,首次实现太空行走的苏联航天员列昂诺夫在返航时,就险些错过最佳再入角,幸好及时调整到位,避免了危险。为什么在太空中高速飞行的载人飞船还能够回到地面呢?这个过程可不像我们坐飞机降落,只要系紧安全带那么简单。飞船返回地面要经历一系列复杂的过程,需要应对与大气高速摩擦产生的高温和振动等一系列问题。

你一定看到过闪光的流星划过夜空吧!流星之所以闪光,是因为它以很大的角度高速飞入大气层时,和空气摩擦生热而燃烧起来。同样的道理,当飞船进入大气层时,其速度仍达几千米每秒。与越来越稠密的大气层摩擦,会使得飞船外壳的温度达到1000℃以上,普通材料难以承受这样的高温。

为了解决这个问题,载人飞船的设计师们采取了一系列的措施。1920年,航天先驱戈达德就提出了双层隔热板的概念。他认为“返回物的表面覆盖一层抗高温(不易变质及难熔解)的物质后盖上一层不太导热的耐高温物质,这样返回物的表面就不会受到太多的侵蚀”。比如,航天飞机机身各处就根据所处环境的不同,配置了4种防热瓦,保护机身温度不致太高。“神舟”系列飞船和俄罗斯的“联盟”系列飞船都是一次性飞船,它们采用的是在返回舱的表面涂上特殊烧蚀材料做成防热层的方法。防热层用的是高分子材料,能在短时间内耐高温。“神舟”飞船采用的是石棉、玻璃与酚醛掺和形成的复合材料,其返回舱表面积有22.4平方米,防热材料总质量约500千克。飞船进入大气层时,防热层表面部分在热流作用下会发生分解、熔化、蒸发、升华等物理和化学变化,带走大量的热,以减少传入飞行器内部的热流。多种防热层可以使返回舱内部最高温度不超过30℃,从而保证航天员平安穿过大气层

控制着陆速度是载人飞船安全回家面对的又一难题。一些科幻电影里陨石撞击地球的场面大家都看过,陨石以极快的速度撞击到地球表面,往往会砸出特别深的一个坑。飞船到了距离地面10千米左右高空时,速度虽然已经降到330米/秒以下,但以这样的速度与地面撞击,飞船和航天员还是承受不了的。

怎么办呢?聪明的你一定想到了:采用降落伞。“神舟”飞船是“打着3把伞”回家的,它们分别是引导伞、减速伞和主伞。为什么要设计这么多的伞而不是只有一个主伞呢?这是为了避免“刹车”太急,速度降得太快,产生过高的过载,航天员受不了。返回舱上的静压高度控制器会通过测量大气压力判断高度,自动弹开伞舱盖,3把伞渐次打开,将飞船的速度逐步降下来。“神舟”飞船返回舱的主伞面积有1200平方米,打开后返回舱的降落速度会降到8~10米/秒。

即使这样,“神舟”飞船返回舱在着地时,所产生的冲击力还可能使航天员的脊柱受损。这时就要靠飞船的另一个法宝了。它就是安装在返回舱底部的4台着陆反推火箭。它们会在飞船马上要降落到地面时点火工作,再给返回舱一些向上的推力,使得返回舱落地的速度不超过2米/秒。为了确保航天员的安全,航天员座椅安装了缓冲装置,还量身定做了缓冲坐垫。

有了上述“十八般武艺”,就可以保证返回舱和航天员一起顺利从太空安全返回地球了。

由直升机和车队组成的搜救小组会早早地在预计的着陆地点就位,等待返回舱。返回舱降落伞打开后,直升机会迅速赶过去。万一着陆位置偏差较大,返回舱会向外发射救援信号,通知搜救小组确切位置。返回舱落地后,其顶端的闪光灯不断发出白色的闪光,它能连续闪光25小时呢。假如落在海里,飞船上配备的染色剂会把周围的海域染成绿色荧光区,便于飞机搜索。

【知识点】 进入大气层

人造或自然的物体从外层空间进入天体的大气层的过程被称作进入大气层。在地球上,进入大气层的标志就是航天器从上往下越过距离地面100千米高度的过程。由于在目前的技术条件下,航天器返回大气层时的速度极高,所以非破坏性返回一般需要有特殊的措施来保护航天器避免受到气动力加热、振动、冲击等损害。这一过程也成为载人航天中风险较高的环节之一。

【知识点】黑障

飞船返回舱表面达到很高的温度时,气体和被烧蚀的防热材料均发生电离,形成等离子区包裹着返回舱,对返回舱内部造成了电磁屏蔽,无线电通信便中断了,这被称为“黑障”。在这一阶段,地面和飞船之间失去无线电联系,不能通过任何遥控方式对飞船进行控制,所有的操控都必须通过自动装置或航天员自己完成。由于高空、高温、高速、高过载和无法通信,这一阶段就成了飞船返回大气层的关键阶段,也是事故易发阶段。

【发散思维】飞船返回舱返回地球进入大气层时,为什么角度过于平缓就会被“弹”回太空?