通常来说,回收一艘飞船往往比发射一艘飞船更加困难,技术含量更高,尤其是针对这种载人航天飞船,如何使其按照预定程序安全稳定地回到地球,确实需要航天工作人员费尽心思。
各国在进行返回舱接收实验时,几乎都给予了最宽限的标准,一般来说,只要返回舱能够降落在本国境内就是成功,20世纪70年代,我国第一颗返回式卫星即将返回地球之际,叶剑英元帅直接表示,只要这颗卫星能够降落在我国国土上,就是我们的胜利。
足以看出,要成功接收从太空返回地球的返回舱是难度系数多么高的一件事情,虽然现在的技术比以前已经大有进展,但依旧无法像普通民航客机或战斗机那样实现定点降落,也无法像精致导弹那样误差微毫地到达指定目的地。
为了克服这一困难,所以各国也预设了面积广阔的着陆场,给航天器的返回舱提供了一个巨大的降落空间,不仅可使返回舱安全稳定地降落地表,同时不会对地面人员和建筑造成威胁,另外也有利于大批量工作人员及时前往降落地进行搜救,比如我国的四子王旗和东风着陆场,均为人烟稀少且无高大树木遮挡的绝佳着陆场。
什么叫返回舱?长什么样子?
返回舱又叫座舱,说白了就是航天员的驾驶室,按照外形划分,世界各国的返回舱主要分为两大类型,一个是以阿波罗系列为主的锥形返回舱,另一个就是中国自主设计的圆钟型返回舱。
左边是中国的,右边是阿波罗系列
返回舱其实也不是什么神秘的东西,一般而言,航天飞船主要由三部分构成:即返回舱,推进舱和轨道舱,推进舱是航天飞船的动力,是储藏燃料的地方,飞船执行任务返航之后,推进舱会在太空焚毁,轨道舱是航天员进行实验和生活的区域,返回舱和其进行分离之后,轨道舱会继续在轨道上运行一段时间。
航天员要想从太空回到地球,就必须依赖返回舱,返回舱外表均匀涂抹了一层固体防热材料,也叫烧蚀材料,可预防飞船重新进入大气层时高温环境损毁返回舱及危害航天员生命安全的情况发生,如果没有这层防热层,返回舱恐怕还没降落地表就已经化为灰烬了。
返回舱又分为三个部分:座舱,防热层和降落伞,座舱起到固定航天员并减少其受到冲击力影响的作用,有些返回舱的座椅设计特别像婴儿椅,防热层就是为了对抗返回舱刚进入大气层时因与大气摩擦而瞬间产生的1000多摄氏度高温,而降落伞就是帮助返回舱在即将抵达地面时能够及时拉升降速。
返回舱为什么无法精准落地?
航天员在返回地球之前,地面指控中心会对航天员所在的飞船下达“轨道分离”的指令,届时航天员乘坐的返回舱会进入制动状态并进行点火准备,随后,返回舱会与飞船轨道舱实行分离,在推进舱的动力下前往指定地点,准备重返大气层。
当飞船即将抵达大气层时,一般是距离地面145公里的位置,返回舱又会和推进舱实行分离,此时的推进舱会按照预定流程进入大气层焚毁,返回舱则依靠自身重力迅速坠入大气层,以800公里每小时的速度向地面坠落,减速完全靠空气阻力,这个过程想通过人工控制返回舱的运动方向是非常困难的。
返回舱进入大气层之后,航天员将面临最恶劣的环境。
首先是因空气密度越来越大,返回舱不可避免会与大气层进行摩擦,其底部瞬间能够产生1000多摄氏度的高温,此时航天员通过舱内玻璃向外就可以看到返回舱正在燃起熊熊大火,整个返回舱周围都将会被大火包围。
其次就是返回舱以高速返回大气层时,其通讯信号会受到严重干扰,甚至有段时间会与地面控制中心彻底失去联系,地面控制中心也无法准确定位到飞船的位置,这个阶段被称为黑障区。
越过大气层黑障区,在距离地面大约10公里的位置,飞船降落伞会自动打开,掣肘高速飞行的返回舱,起到降速作用。
此时返回舱的速度会降到每秒约3.5米左右,最终在临近地表时,降落舱上的反推发动机会启动,形成一股反向推动力,促使返回舱稳定地降落到地表,减少航天员所受到的冲击力。
整个过程看起来简单,确是十分的凶险和复杂,返回舱在每个阶段都马虎不得,否则一招不慎,将满盘皆输,返回舱之所以无法精准落地,是因为其在降落过程中所受到的不可抗的干扰因素实在是太多了。
首先是飞船进入大气层之后,完全是靠自身重力运动,整个过程也会受到剧烈的空气阻力的影响,如果返回舱外观外形设计有问题,那么这个时候的返回舱并不会朝着一个方向降落,而是会在空中旋转,航天员无法承受这种高速运转给身体带来的各种侵害,所以工程师一般都会根据“不倒翁”的原理来设计返回舱。
另外飞船进入大气层的速度非常快,有时每秒能够达到几十或者上百公里,为了避免或减少飞船在碰到地面时瞬间产生的巨大冲击力给航天员及返回舱内的精密仪器造成毁灭性的打击,飞船在大气层也要经历第一阶段减速。
而这个过程较常使用的就是“打水漂”的方式,在经历第一阶段的减速后,返回舱会被大气激波瞬间弹射出去,然后又以抛物线的形式再次进入大气层,进入到第二个减速阶段,整个过程通过精确导航系统进行制动非常困难。
再者,高速飞行的返回舱在大气层中会产生黑障区,表面形成的电离层和干扰返回舱的信号,即使是装置自动导航系统的返回舱也会在这个区域失去方向,偏离预定轨道,导航系统反倒成了加大返回舱质量的累赘。
最后,就是返回舱降落伞打开之后,此时返回舱受到的气流影响也会更加明显,返回舱上除了反推发动机之外,没有其他动力系统,所以也就无法像飞机那样控制飞行方向,只能随风漂流。
不过,地面指挥中心可以根据返回舱的空中位置来确定其降落的大概范围,通常会锁定几十平方公里的位置,然后派出大队人马前往这个位置进行搜寻。
这是因为返回舱上一般装有标位系统,这种设备和普通飞机上的黑匣子的信号发射系统非常相似,同时也有GPS接收机和USB应答机,信号机,闪光灯和海水染色剂等等。
守候在着陆场附近的飞机和伞兵会根据返回舱标位系统发出的无线电信号出动实行搜索,一旦发现目标便会空降伞兵,另外还有大型运输机将运载所需车辆和相关工作人员前往现场,确保能够及时对返回舱及航天员展开搜救行动。
按照人类目前现有的航天技术,即使是在这个行业遥遥领先的美国和俄罗斯,也无法实现载人返回舱精准落地,返回舱受到空气阻力,地球引力,日月引力,太阳光压力和太阳风等因素的影响,其轨道变化的未知性实在是太强了。
目前技术上能够实现的就是根据返回舱在空中的位置运用路基,海基和天基等精密测量设备来确定降落点的大致范围,因此对着陆场的位置选择便显得尤为关键和重要。
关于对着陆场的选择
在我国航天项目立项之前,俄罗斯和美国就已经拥有了庞大的回收搜救力量,俄罗斯拥有面积广阔的西伯利亚平原,而美国则主要采取“海上溅落”的方式。
我国航天项目立项之后,要在960万平方公里的土地上,选择出一个面积大约为2000多平方公里,可供返回仓着陆的平坦地区其实并不困难,但实际上必须要考虑四个重要因素且缺一不可。
首先是着陆场面积必须要大,因为返回舱无法精准落地,可能出现偏差,要为这个偏差作出预留之地。
其次就是着陆场地形必须平坦,坡度不能超过15度,你要想,万一落到一块不平坦或角度较陡的斜坡上,返回舱很可能会出现翻滚的情况,就算不考虑返回舱体的损坏问题,也得考虑返回舱内航天员的身体情况,另外就是着陆场附近不得有高大的树木和灌木丛,不得有高山沟壑,目的是为了避免这些因素会干扰到返回舱的平稳着陆以及影响搜救人员的搜寻视线。
再者,就是要考虑到这个着陆场是否能和飞船飞行轨道重合或者接近,即使存在一定偏差,也要考虑返回舱是否能够在大气层中通过横向机动能力抵达预定地点,如果着陆场位置和飞船飞行的地面轨道之间的距离相差大大,难以有把握能够使其降落到指定的着陆场上。
最后就是要选择人烟稀少,没有各种铁路机场,居民楼等基础设施的地方,若因为返回舱降落而迫使地面人员和建筑遭受重大损失也是不行的,同时也要避开那些经常刮大风,多雷雨天气,容易出现各种恶劣天气的地方。
综合考虑到以上因素,科学家们经过千挑万选,终于找到了两块最适宜返回舱安全着陆的地方,都在内蒙古自治区,即离酒泉卫星发射中心不远的东风着陆场和四子王旗阿木古郎草原。
笔者的思考
关于返回舱不能精准降落,除了是技术上的问题之外,笔者认为,这应该也是航天工作人员考虑到了返回舱实现精准降落的成本以及其他一些问题。
执行任务的飞船返回地球,航天部门每次都会出动大批人马前往搜救,并非预示着航天员一定会出现危险,实际上是相当于一种应对意外事件发生的准备,比如返回舱降落可能会引起草原火灾,大量人员前往可以瞬间将火势控制住,还有就是刚回到地球的航天员会出现直立不耐症,需要工作人员搀扶或抬着移动,另外,声势浩大的阵仗也是出于对航天员的尊重。
再者,返回舱一旦返回地球,基本就成了废铁,没有多少再利用的价值,在这个物件上投入大量的成本其实并不值当,按照目前的情况来看,返回舱虽然无法实现精准降落,可至少当前降落的方式也能够确保航天员的安全。
返回舱虽然无法像飞机那样,根据导航系统定位降落到指定地点,但返回舱也是装有标位系统的,除了不能像一般航天器可以自行导航之外,至少能使地面指挥系统监测到返回舱所在的空中位置,然后逐一推算出返回舱降落的地点范围,并动态地缩小搜救范围,最终找到返回舱降落点。
所以,还是那句话,能够在安全和成本之间找到平衡点,就是最好的状态。
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