神舟十三号返回采用了“快速返回”技术,整个返回过程仅用了9小时。有些小伙伴发出疑问:

空间站高度大约400千米,用时9小时平均下来相当于以45公里/小时的速度下降高度,小汽车一脚油都比这快,为什么还被称为“快速返回”?

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实际上,飞船返回并非从天上直接往下落,还需要绕着地球转圈圈。相对于神舟十二号返回用时28小时,神舟十三号缩减了大约三分之二的时间,因此被称为“快速返回”。

那么神舟飞船为何要在转圈后返回?“快速返回”有何奥秘?

快速返回技术=转圈少

飞船下降之前绕着地球转圈圈,每转一圈用时约1.5小时。

神舟12号:用时约28小时,返回前绕地球飞行十多圈,从停止转圈至落地用时约51分钟。

神舟13号:用时约9小时,返回前绕地球飞行仅5圈从停止转圈至落地用时约49分钟。

(多说一句:神舟十二号其实采用的是11圈返回技术,返回前进行了“径向交会试验”,对轨道位置与姿态有所影响,所以多转了几圈进行姿态调整。)

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对比神舟12号与神舟13号可以发现,它们停止绕圈后,从400公里高度到最终安全落地所用时间基本上都在50分钟上下。神舟十二号整体用时更多是因为下降前转的圈数更多。换句话说,快速返回技术指的不是降落速度更快,而是转的圈数更少。

那么飞船返回前为什么都要转圈圈?转几圈由什么决定?

为什么需要转圈圈?

想象一下这样一个场景:

你在岸边奔跑,有一艘快艇每隔一段时间就会从你眼前飞奔而过。你想要精准地跳到快艇上就需要把握好跳向快艇的时机,跳早了或者跳晚了都会落入水中。神舟飞船返回地球也是一样的道理。

绕着地球转的飞船就像是在岸边奔跑的人。地球上既定的着陆场(上图闪烁的红点)随着地球自转而移动就像是移动的快艇。飞船只有在合适的时间滑出一条完全的曲线才可以稳稳落在着陆场。

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在北京飞控中心大屏上经常能看到一张巨大的“世界地图”,这张图也叫“飞船运行轨迹图”。红色曲线是神舟十三号实时运行轨迹,绿色曲线是计算机预测出来的下一圈轨道的轨迹。

轨道预测的原理来源于飞船的各项参数,还有地球的自转状态等等。

简单来说:神舟飞船由西南向东北方向绕地球转圈,在地图上飞行轨迹呈现为“S曲线”。

此外,由于地球自转自西向东,所以飞船每一圈的轨迹就会向相反方向移动,即每一圈的曲线自东向西移动(如上图①至④为飞船飞行四圈的轨迹)。

假设飞船与空间站分离后,通过轨迹预测第6圈的飞行轨迹会与地图上的“东风着陆点”相交(绿色曲线)。这表明飞船飞第6圈会从着陆场上空经过。如果在第六圈减速降落就能落入着陆场。

(神舟十三号返回时间窗口:最高点89°几乎在着陆场正上方)

因此,飞船飞完五圈,执行第六圈的过程中,在离东风着陆场还有大半个圆弧(留出足够的降落角度)的情况下,便可以通过减速变轨,逐渐降低轨道高度,稳稳降落至既定地点。

综上所述:为了降落在着陆场,飞船在降落前需要转几圈调整轨道位置,等待运行轨迹与着陆场相遇的降落时机出现。因此飞船需要先转圈,不能直接降落。

那么问题来了,为什么神舟十二号要转十几圈,神舟十三号只转5圈?

只要够快地球也抓不住你

虽然飞船返回的过程类似于“人跳上快艇”,但要远远复杂得多。人到快艇上是通过“跳跃”,飞船降落则是通过减速。

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想象一下,同样是在地球上扔标枪,你和奥运冠军出手的一瞬间本质差别是什么?

由于地球存在引力,因此你扔到天上的标枪都会往下落(如图A)。除了出手角度,奥运冠军的标枪飞得更远是因为标枪脱手后速度更快,因此可以在落地前移动距离可以更远(如图B)。

牛顿发现如果物体的速度足够快,那就能在落地前飞出地球,然后绕着地球转(如图C)。

图C中,物体绕着地球转的速度称之为第一宇宙速度,也叫“环绕速度”,速度大小为每秒7.9千米。

飞船或空间站通过运载火箭与推进器不断加速,速度接近“环绕速度”,所以它们始终绕着地球转而不会掉下来。与之相反,如果飞船想要从天上下来就需要进行减速。

如何减速降落?

神舟飞船分为3个舱段。

轨道舱:与空间站连接的舱段,返回时可以将飞船上的垃圾放入其中,与飞船分离后会坠入大气层烧毁。

返回舱:航天员就坐在这里面再入大气返回地球。

推进舱:带“翅膀”的部分,为飞船减速提供动力,分离后会在大气层烧毁。

首先神舟十三号飞船与空间站解锁,通过飞船上的推进器轻轻反推,飞船逐渐降至离径向接口19米处停泊,完成分离。

然后飞船移动至距离空间站200米处。接下来旋转90度,由竖向转为横向正飞的姿态,在轨道飞行五圈。第六圈接近轨道返回区域时,进行调姿。

第一次调姿:飞船水平旋转90度后,然后轨道舱与返回舱进行分离,即“轨返分离”。

第二次调姿:再次水平旋转90度,完成头尾互调,呈现为倒飞姿态,同时调整俯仰角,准备进入返回轨道。

制动离轨:推进舱发动机点火,开始减速制动,离开原绕地轨道,进入返回轨道,高度逐渐下降。

“推返”分离:高度降至145公里左右,推进舱与返回舱分离。

再入大气:随着高度的降低,空气密度逐渐增减,调整返回舱攻入大气层姿态与角度,同时也让“防热大底”朝下,伴随着熊熊火焰继续降低高度。

最后,开伞、抛防热大底、反推、落地。

快速返回的奥秘

根据返回过程可知,返回要经过一系列的调姿、调角、分离、反推。实际上,这仅仅只是表面,其中涵盖了大量复杂的计算以及参数设定、校准、修正,还有轨道测定、飞行计划制定等等,整个过程极为复杂。

在以往的载人飞行任务中,为了防止出错,地面控制人员都是在飞船与空间站分离后,让飞船一圈圈地飞行,然后根据飞船实时状态进行测定轨、计算各项控制参数,制定飞行计划。等计划制定完了,飞船已经飞了好几圈。然后还要等待轨道的轨迹与着陆点相交,因此飞船常常转上十几圈。

神舟十三号仅飞五圈是因为采用了“精准的轨道预报技术”。计算机直接利用分离前的轨道数据,叠加各种干扰因素,精准预测飞船分离后的轨道数据。然后利用预测的数据计算飞行控制参数,制定飞行计划。

换句话说:神舟十三号基于“精准的轨道预报”,在分离之前就已经做完了返回的准备工作,大大减少了等待时间。分离后返回轨迹出现就可以直接按照计划返回。

其次,神舟十三号加快了返回的节奏。在以往的返回任务中,为了求稳,返回前的轨道修正、参数校准等动作都是严格按照一定顺序进行的。一些关键性动作甚至以圈为单位执行。因此一套动作打下来飞船又绕了几圈。

如今地面控制人员有了前期多次任务的经验,已经成了“老司机”,很多动作可以直接压缩在一圈执行,大大减少飞船在轨飞行圈数。这说明了我国的航天技术越来越强大!(完)