2021年09月17日 13:56
【科學快訊】
神舟十二號飛船於今天（9月17日）搭載三名航天員返回地球。
航天器返回地面不是一件容易的事，甚至有一定風險。這是因為航天器返回地面需由飛船系統、航天員系統、著陸場系統、測控系統等多個系統共同配合完成，尤其是在返回過程中飛船要完成一系列複雜動作，可靠性要求非常高，不能有任何一個環節出問題，否者功虧一簣。
另外，這次神舟十二號返回是首次從空間站返回地面，也是載人的返回艙首次在東風著陸場著陸，因而更加大了飛船的返回難度。
飛船返回有多難
簡單地說，飛船返回地面是飛船脫離原來的飛行軌道，沿一條下降的軌道再入地球大氣層，通過與空氣摩擦減速，安全降落到地面上的過程。
這個過程極其複雜，這是因為飛船在軌道上是以8千米/秒的第一宇宙速度飛行，當需要它返回時必須制動減速，但仍將將以很高的速度沖向地球大氣層，再入大氣層時會和空氣產生強烈的摩擦，從而在返回艙表面產生很高的溫度，所以飛船的返回艙必須有可靠的防熱措施，否則會在大氣層中燒毀。
理論和實踐均已證明，飛船要想安全的返回，起碼要具備下面的條件：
一是其控制系統要能夠准確的調整飛船的姿態，使它從軌道上的飛行狀態調整成返回姿態。
二是由於飛船是由三個艙段組成，並且只回收其中的返回艙，所以必須能夠可靠的分離軌道艙和推進艙。
三是飛船要自帶動力系統，使它能夠脫離原來的飛行軌道進入返回軌道。
四是飛船返回艙要有良好的防熱性能和隔熱性能，使返回艙返回時不但不能被燒毀，而且應保證星內的溫度不能過高，保障航天員的安全。
五是飛船上要有良好的減速和緩沖設備，例如降落傘等，使它安全的降落在地面。
六是飛船返回艙上還要有無線電信標機、閃光燈等標位裝置，以便在接近地面及落地以後發出無線電波、聲、光或顏色等信號，從而能夠被搜救人員迅速找到和回收。
為此，「神舟」飛船的返回要闖過以下四關：
一是調姿分離關，通過測控使飛船從運行姿態調整到返回姿態，其中包括讓軌道艙與返回艙-推進艙組合體分離，返回艙與推進艙分離。
二是制動減速關，要使飛船返回地面，必須降低飛船的飛行速度，改變飛行方向，使其脫離原來的飛行軌道，進入下降飛行的軌道。其方法是通過開動推進艙的火箭發動機產生制動來降低飛船的速度。
三是再入火焰關，由於飛船返回時會與大氣層劇烈摩擦，產生幾千度的高溫，因此必須采用先進的防熱措施，否則鋼筋鐵骨也要化成灰燼。
四是降落著陸關。當返回艙下降到距地面大約10千米的高度時，要打開降落傘，使速度減至約6米/秒，在距地面1米時，安裝在返回艙底部的緩沖火箭點火，使返回艙速度降到3米/秒以內的速度實現軟著陸。
具體來講，飛船返回可分為以下四個階段。
第一階段是制動離軌階段。飛船在太空中運行最後一圈時，地面向飛船發出返回指令，飛船隨即調整姿態，相對前進方向向左偏航（逆時針轉）90°，變成橫向飛行狀態，這是第一次調整姿態；然後軌道艙與返回艙以1~2米/秒的相對速度分離；然後返回艙與推進艙組合體再向逆時針方向轉90°，使推進艙朝前，這是第二次調整姿態；達到這種制動姿態後，飛船推進艙上的發動機點火工作，使飛船降低速度，進入到返回地球的軌道。
第二階段是自由下降階段。制動發動機關機後，返回艙與推進艙組合體進入自由下降階段。在距離地面140公里時將推進艙分離掉，分離後推進艙在大氣層中燒毀。返回艙繼續下降，並在下降到距離地面約100千米高度前將返回艙調整到再入姿態，一般為1.5°~1.7°（飛船與當地水平方向的夾角）。因為如果返回艙的再入姿態角太大，返回艙在再入大氣層時會由於速度太快，而使最大過載超標，人受不了，返回艙甚至會像流星一樣在大氣層中燒毀；如果再入姿態角太小，返回艙會從大氣層邊緣擦邊而過，無法返回。
第三階段是再入大氣層階段。返回艙在距離地面100千米時開始再入大氣層時。再入飛行是返回飛行過程中環境最複雜、最惡劣的一段。因為返回艙以很高的速度進入大氣層時，與大氣劇烈摩擦，產生高溫會使返回艙周圍的氣體電離，屏蔽電磁波，這時返回艙表面和大氣層摩擦形成「黑障」，使返回艙在240秒內暫時與地面失去聯系，直到距離地球約40千米處時黑障消失，返回艙與地面的聯系又恢複了。
另外，在再入大氣層的過程中，航天員要承受很大的過載。為此，從再入大氣層到20千米高度，返回艙采用升力控制方式再入，以降低再入熱流，使返回時的過載不大於4g，而且可以比較精確地返回到著陸場。飛行高度約為20公里時，返回艙升力控制結束。
第四階段是回收著陸階段。在距地面約10千米時，返回艙的下降速度為200米/秒，這時回收著陸系統開始工作。它由結構、降落傘、著陸緩沖、程序控制、火工裝置、傘艙排水和標位等等子系統組成，有自動控制功能、減速功能、著陸緩沖功能和標位功等主要功能，主要任務是將再入大氣層的返回艙，利用降落傘系統穩定其運動姿態、降低下降速度，並通過著陸緩沖的手段保證航天員軟著陸。
作者：龐之浩（全國空間探測技術首席科學傳播專家）
