当载人航天器完成任务,离开太空,重新进入地球大气层时,如何安全着陆,是事关宇航员安全的一项重要设计。
然而,美国和中国作为全球领先的航天大国,在飞船返回方式上针对返回舱的耐热、防护能力,降落系统设计采取了截然不同的技术路线。
美国“龙”飞船坚持海上降落,依靠四个降落伞减速;而中国“神舟”飞船则采用陆地降落,仅使用一个主伞,并辅以反推发动机精准控制。
这种差异看似只是伞具数量的不同,实则背后隐藏着航天技术理念的深层次较量。
美国的“龙”飞船在返回地球时,其降落过程主要依赖降落伞系统。
飞船进入大气层后,会先释放两个小型引导伞,帮助稳定返回舱的姿态,随后四个大型主伞依次展开,使返回舱的下落速度逐步降低,最终溅落在海洋中。
这种设计最早应用于阿波罗登月计划,并延续到了后来的龙飞船、猎户座飞船等载人航天器上。
阿波罗飞船的返回舱质量达到5吨以上,而龙飞船的返回舱更是接近10吨,因此,美国工程师选择了多个降落伞的方案,以便分摊负荷,提高系统冗余度。
在群伞方案中,各个降落伞互相独立,同时工作,也可以在个别降落伞失效的情况下保证航天员安全着陆。
例如,在阿波罗15号任务中,三个降落伞中有一个没有成功打开,但剩下的两个仍然足够支撑飞船安全溅落。
类似的情况也发生在SpaceX的载人龙飞船返回过程中,其中一次任务中,四个主伞只展开了三个,但依然实现了成功着陆。
这种设计思路体现了群伞方案的可靠性,即便部分降落伞发生故障,整个系统仍然能够确保安全。
然而,群伞方案并非没有缺点。首先,多个降落伞的展开过程比单主伞复杂得多,伞绳之间存在缠绕的风险,需要高度协调,增加了故障发生的概率。
一旦有一个或多个主伞未能正常打开,就可能导致飞船下落速度过快,影响着陆安全。
阿波罗计划的早期测试中,就曾发生过伞绳缠绕导致降落伞无法正常打开的情况。即便是在现代航天技术高度成熟的今天,SpaceX的龙飞船也曾在测试中遇到类似问题。
其次,多个降落伞的重量较大,对航天器的结构设计提出了更高的要求。
由于多个降落伞在风力和空气动力的影响下容易摆动,导致返回舱在降落过程中会出现不稳定状态,进而加剧宇航员承受的冲击力。
相比之下,单主伞方案的结构更简单,避免了伞绳纠缠的问题,并且能够通过备用伞提供额外的安全保障。
与“龙”飞船的四个降落伞相比,中国的“神舟”飞船就只采用了一个主伞,却同样能实现稳定、可控的着陆。
为什么中国航天敢于使用一个主伞,而美国却选择四个?这背后涉及到降落伞技术的可靠性和飞船整体减速策略的不同。
神舟飞船的降落伞系统由引导伞、减速伞和主伞依次展开,形成完整的降落过程。
引导伞的作用是稳定飞船姿态,并拉出减速伞。减速伞进一步降低速度,确保主伞展开时不会承受过大的冲击力。最终,面积达1200平方米的主伞全面展开,将3吨重的返回舱降速至7-8米/秒的安全范围。
整个过程中,神舟飞船的单主伞方案基于安全性、稳定性和技术成熟度的综合考虑,主伞采用了高强度、耐高温的复合材料,能够承受更大的拉力,同时具有出色的抗风能力。
此外,在主伞展开之前,“神舟”飞船已经经历了多阶段的减速过程,包括返回舱自身的气动减速、降落伞初步稳定下降,以及最后阶段的反推发动机缓冲,因此,即便是单一主伞,它的减速任务相对轻松,能够高效完成。
但仅仅依靠一个主伞是否存在风险?中国航天的方案显然考虑到了这一点——虽然“神舟”飞船平时只用一个主伞,但系统内实际上配备了备用伞。
如果主伞出现异常,备用伞会在极短时间内自动展开,确保飞船能够安全降落。
这种设计与美国依赖多个主伞共同工作的思路截然不同——“神舟”主伞的可靠性极高,配合备用伞的双重保险,使得降落伞系统整体更加稳定。
此外,“神舟”飞船的反推发动机在返回舱即将接触地面时点火,进一步降低下落速度,使最终着陆冲击力大幅减少。
总结来看,中美两国的飞船降落方式虽各有特点,但从降落伞系统的可靠性和整体安全性来看,中国“神舟”飞船的单伞方案已经经过了多次任务验证,表现出极高的可靠性,更适合目前的返回舱降落。
当然,随着航天技术的发展,中国的新一代载人飞船也将采用群伞系统。这款飞船的返回舱重量接近6吨,已经超出了单伞可承受的范围,因此需要采用三个降落伞来提供足够的减速能力。
此外,新飞船还将采用气囊着陆技术,而不是神舟系列的反推发动机软着陆方式,这种设计在保证航天员安全的同时,也有助于提高飞船的可重复使用性。
从技术角度来看,降落伞的数量并不是衡量先进性的唯一标准。单伞和群伞各有适用场景,关键在于能否与航天器的重量、着陆环境以及任务需求相匹配。
我国未来的新一代载人飞船采用群伞,也是为了适应更大重量、更高任务需求的需要。
这也表明,中国的航天回收技术正在不断演进,与国际先进水平同步发展。
在航天领域,没有绝对的优劣,只有适合与否。中国的航天发展一直都有着自己的考量,并非全部都根据其他国家来走。
你看就着陆方式而言,神舟飞船的降落伞系统以其高效、可靠的特点,完美适应了我国当前的航天任务需求,那就不改了,继续用。
新一代载人飞船重量大了,那就改进降落伞系统,面向未来更复杂、更高载荷任务进行技术升级。
但不管哪种方案,无论是单伞还是群伞,中国最重要的标准,始终是航天员的安全和任务的成功。