1米高度精准反推着陆!神州13号是怎么做到的?美国为何不用?

2022年4月16日上午十点左右,备受瞩目的神舟十三号飞船在东风着陆场顺利着陆,三名宇航员成功返回地面,圆满的完成了任务。“01号感觉良好,02号感觉良好,03号感觉良好。”宇航员铿锵有力的声音让全国人民为他们松了一口气,同时也为祖国感到骄傲。

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神舟十三号航天员顺利出舱

不知道大家在观看神舟十三号着陆的视频时有没有注意到这样一个现象,在距离地面很近的地方,往往会有一道巨大的火光,之后飞船才会平稳地落到地面上。这并不是发生了什么意外,而是飞船在进行反推着陆。这次,我们的神舟十三号飞船实现了在距离地面1米的地方高度精准反推着陆。这是怎么做到的?

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飞船的返回过程

首先来了解一下飞船的返回过程。总体上来说,飞船的返回要经过四个阶段:制动减速阶段、大气层外自由滑行阶段、再入大气层阶段以及回收着陆阶段。我们接下来要说的精准反推着陆就发生在最后一个阶段——回收着陆阶段。

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载人飞船在距离地面100公里左右的时候,会进入大气层,此时载人飞船的返回舱会强烈压缩前面的空气,造成温度急剧升高,此时的飞船就类似于一个流星划过太空,因此对飞船材质的要求非常高。如果有一个方面没有做到位,就很可能会影响到返回舱内宇航员的安全。

1971年,前苏联的“联盟11号飞船”在返回过程中,再入大气层时返回舱压力阀门被震开,导致舱内迅速减压,最终三名宇航员在40多秒内相继死亡,让世人唏嘘。

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联盟11号飞船的三名宇航员

所以,科学家必须在保证飞船和宇航员安全的前提下探索合适的着陆方式。我国科学家在经过多年的探索之后,确定了最适合我国的着陆方式——反推着陆。

精准反推着陆前的准备—降落伞减速

在精准反推之前,有一个不可或缺的步骤,那就是在距离地面大约有十公里的地方打开主降落伞,来达到降低飞船速度的目的。

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那么为什么不直接用降落伞减速的方式直接让飞船降落到地面呢?因为这个方式有着非常明显的缺点,单纯依靠这一种方式根本不可能使飞船安全着陆。

首先,飞船从大气层中进入地球的速度实在是太大了,如果想要完全依靠降落伞完成着陆的话,就需要一个很大的降落伞。但是如果降落伞太大的话,无疑会增加重量和体积,增加飞船设计的难度。

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巨大的降落伞

而且,即使我们设计出了巨大的降落伞,也很难将速度降到很低。就拿我国的神舟十三号飞船的降落伞来说,这个降落伞是世界上目前最大的降落伞,它的面积达到了12000平方米,大约有两个足球场那么大。但是,它最多能让飞船的速度减到8-10米每秒,之后就没有办法再减速了,而用这个速度着陆相当于让宇航员坐到摩托车上直接去撞墙,显然不够安全。

最后,采用这种方式风险也非常大,因为风力等环境因素是很难控制的,如果飞船随着降落伞飞到了某个城市上空,事情就难办了。

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反推发动机

既然只靠降落伞无法实现安全着陆,那就轮到我们今天的主角——反推发动机登场了。反推发动机能够做到在10秒之内迅速点火启动,给返回舱一个巨大的反方向的作用力,从而在很短的时间内降低飞船的速度。

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反推发动机工作原理

我国神舟十三号所用的反推发动机有多厉害呢?神州十三号飞船一共用了4台反推发动机,它们同时发挥作用能给返回舱一个大约十吨的作用力!有了这个作用力,就能在短时间内将返回舱的速度减到大约两米每秒,再加上缓冲座椅等的保护,就能够保证宇航员的安全了。

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飞船返回舱

着陆高度如何控制

我国科学家在经过成千上万次的计算和实验之后,最终确定了“1米”这个高度作为反推着陆地点火点。那么,我们如何做到这个“精准”呢?

在一些常规的飞行装置中,是利用大气压强来计算高度的。简单来说就是,不同海拔高度的大气压强是不一样的。我们只要按照公式提前计算出距离地面1米处的大气压强并记录下来,然后在返回舱内安装气压表,在气压到达所记录的数值的时候开始点火就可以了。这种方法听起来很有道理,毕竟飞机等飞行装置就是用这种方法来计算高度的。然而宇宙飞船需要极高的精确度,这种办法的误差实在是太大了,根本不可行。

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于是,我们采用了γ射线高度计这种装置。这种装置内有放射性物质,会向地面发射γ光子,光子到达地面之后会被反射回来并被探测器接收。在距离地面比较高的地方,反射回来的光子数量非常少。在距离地面大约有1米左右时,反射回来的光子数量会急剧增加。因此,通过测量反射回来的光子数量,就能够准确测量高度。

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γ射线高度计工作原理

有了反推发动机,又有了γ射线高度计,这下,我们就能够真正实现1米高度精准反推了。这些“黑科技”充分保证了我们的三位航天英雄安全地回到祖国的怀抱。

美国为何不用这种技术?

这种技术的安全性已经得到了充分的证明,然而世界上的另外一个航天大国——美国却从来没有采用过这样的降落方式,这是为什么呢?

原来,美国的宇宙飞船返回地球时,往往会选择在海上降落。海水提供了足够的缓冲,因此就不再需要反推发动机了。

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这种降落方式有利也有弊。首先,它节约了反推发动机的设计和制造成本;其次,地球上70%都是海洋,海平面非常宽阔,对精度的要求也就比较低。而它的弊端也很明显,一旦发生意外,很难在茫茫的大海中进行搜救。

而美国之所以采用这种方式,与它强大的海军实力是分不开的。美国海军基地遍布全球,有着很强的搜救能力,即使发生意外也能立刻展开搜救。因此,这种降落方式十分符合美国的国情。

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所以到底是在海洋降落比较好还是在内陆降落比较好这件事是没有定论的,只要能够保证宇航员的安全,就都是值得称赞的。当然,我们也要在保证安全的前提下不断探索更加经济、精巧、同时符合国情的降落方式,继续探索未知的太空。

参考资料:

【1】 中国青年报 神十三今日返回!最新直播画面来了 2022-04-16

【2】 环球网 神舟十三号即将返回,各搜救分队做好准备迎接航天员回家 2022-04-15

作者:余温 审核:小羊 校稿编辑:李子

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