在2023年11月30日上午,香港科学馆举行了“逐梦寰宇问苍穹——中国载人航天工程展”开幕式,在这次展览中,除了展示空间站组合体1:15模型、长征二号F、长征七号、长征五号B运载火箭、新一代载人运载火箭、新一代载人飞船及月面着陆器等模型外,还有舱内航天服、神舟十三号飞船的返回舱以及空间冷原子微波钟、环境控制与生命保障设备等实物。
从现场的照片中,我们可以看到神舟十三号飞船返回舱外部的样子,和其他的飞船返回舱一样,返回舱的外部看起来面目全非、黑不溜秋,完全和新制造的飞船不同。
举个例子,在神舟十六号飞船撤离中国空间站之时,神舟十七号飞船的航天员透过舷窗拍下了神舟十六号飞行的画面。从传回的画面中,我们可以看到载人飞船在太空中飞行的姿态,也可以看到飞船在返回地球前的样子是非常干净、整洁的。而当飞船返回地球以后,就会变得面目全非、黑不溜秋,这是怎么回事?飞船返回地球过程中到底会遭遇什么?
其实,飞船返回地球的过程是惊心动魄的,因为整个过程非常复杂,任何一个环节出现问题都可能会导致严重的事故。下面我们看下飞船返回地球有哪些步骤。
第一步就是进行返轨分离和返回制动。当飞船撤离空间站后,就会根据自身飞行的情况进行一系列的操作,首先就是飞行姿态的调整。
在第一次姿态调整中,飞船会进行旋转90°,变成横向飞行的状态,这时候会进行一次分离,那就是飞船的轨道舱和返回舱、推进舱组合体进行分离,抛掉轨道舱。
在第二次姿态的调整中,返回舱、推进舱组合体还要继续旋转90°,这时候飞船的飞行方向和一开始的方向相反,其实就相当于掉了个头,飞船的推进舱在飞船前进的方向,而返回舱则在后面。这样调整姿态的原因,就是让在前面的推进舱启动发动机,给飞船一个推力进行制动减速,让飞船的速度降下来。
随着推进舱发动机的启动,飞船速度就会开始减速,非常的高度也会随之下降,随后就会进入返回地球的轨道。
第二步,就是进行推进舱和返回舱的分离。当飞船推进舱、返回舱组合体下降到距离地面还有大约145公里时,推进舱就会和返回舱进行分离,也就是抛掉推进舱,返回舱则继续减速重返地球。
这个过程中,飞船会遭遇惊心动魄的一幕。当飞船返回舱下降到距离地面差不多还有100公里时穿过了卡门线,空气密度越来越大,飞船返回舱重返地球大气层。
由于地球的大气层比较浓密,所以随着飞船返回舱的高度不断下降,空气密度会越来越大,气动加热效应会越来越强烈,返回舱外部的温度急剧上升。
用航天员的话来说,透过飞船的舷窗,可以看到飞船返回舱外部被烧得通红。从外部看去,飞船返回舱就行被熊熊大火包围着,变成一个从天而降的熊熊火球。
虽然返回舱外部被温度高达上千℃的高温灼烧,但是飞船返回舱却不会被烧毁。这是因为飞船返回舱外部涂有烧蚀材料,这些烧蚀材料会脱落带走大量热量。这就是为什么飞船在返回地球以后,返回舱外部被烧得黑不溜秋、面目全非的原因。
在经受高温灼烧的过程中,飞船还会经历一个问题,那就是那会进入大约持续5分钟的黑障区。
这是因为飞船返回地球过程中,速度很快,外部温度很高,在飞船返回舱外部的气体以及烧蚀材料、隔热材料都会发生电离,这时候飞船的外部就形成了一层高温电离质,等离子鞘和电磁波会相互作用,就会导致飞船与地面之间的通讯出现衰减或者反射的情况,也就是飞船与地面指挥中心的通讯会中断。这个过程就是黑障。
当然,黑障不会一直持续下去。因为随着飞船返回舱的高度不断下降,空气密度越来越大,受到的阻力越大,速度会降低,气动加热效应会逐渐减弱,外部的温度也会随之降低。当温度下降到足够低时,外部的电离层就会消失,飞船就会再次与地面取得联系。
第三步,就是打开降落伞进一步降速。仅仅依靠返回舱自身的气动进行减速,是没法安全着陆的,因为下降的速度还是非常快。所以,为了让飞船能够更好地降低速度,在距离地面还有10公里时,返回舱就会打开面积高达1200平方米的巨大降落伞。从之前那些飞船返回地球过程的画面中,我们就会看到天空中有一“朵”巨大的伞吊着飞船缓缓下降。
第四步,就是要启动返回舱的反推发动机。在巨大降落伞的帮助下,飞船返回舱的速度会继续降低,但是在即将着陆之时返回舱的速度还是有点快,所以在距离地面大约还有1米时,返回舱的反推发动机就会启动,给飞船返回舱提供一个向上的推力,让飞船返回舱稳稳地降落到地面。
由于在返回地球过程中,需要经受高温的灼烧,所以飞船外部会被烧得黑不溜秋、面目全非。由于在返回过程中需要通过减速伞进一步减速,会受到风力等不可控因素的影响,所以飞船返回舱是没法100%精准着陆到预选的着陆点正中心,不过以现在的技术,也不会偏离很远,一般都是降落到预选着陆点附近。