从高中物理看神舟十二号返回舱着陆

何 龙

（清华大学附属中学永丰学校）

根据报道，中国自主研发的神舟十二号载人飞船与空间站成功分离，于2021年9月17日安全着陆东风着陆场，三名航天员顺利返航！在感慨中国航天飞速发展的同时，我们不妨从高中物理涉及的范畴去回顾这一历史过程，真切感受航天人为之付出的努力.

图1 中国空间站结构组成

在航天领域有一条叫作卡门线的分界线，它把距离地面100km以内的空间称为大气层，之外的部分叫作外太空.可以想见，在相同情形下距离地面越近，航天器受到的空气阻力就会越大.我们可以按照匀速圆周运动模型作一个简单的分析，只有当万有引力全部提供向心力时空间站才会稳定地做匀速圆周运动.而当空气阻力作用于空间站，会导致其线速度减小，致使其所受万有引力大于所需向心力，即万有引力的作用效果除了改变空间站的运动方向外，还在半径方向产生一个指向地球的加速度，不加干预的话空间站就会逐渐做向心运动.所以在综合考虑成本、信号传输、辐射干扰等因素后，中国空间站将轨道高度确定在距地400km的位置.同样的道理，如果我们需要让载人飞船返回地球，要做的第一件事就是与空间站分离，并依靠推进舱的反向推进减速.这样在万有引力不变的前提下，由于线速度v减小，其维持圆周运动所需的向心力就会减少，万有引力额外的作用效果会让飞船逐渐靠近地球，踏上重返地面的旅途.

在距离地球表面140km左右时，神舟十二号载人飞船的返回舱与推进舱分离，之后推进舱在坠入大气层后与空气摩擦烧毁，而返回舱则会调整姿态，按照精确的轨迹进入大气层.造成二者命运不同的原因，就是返回舱拥有周全的隔热措施：舱体外覆盖了大量隔热耐磨涂层.它可以像水发生汽化时吸热一样，在高温中发生熔化、汽化甚至化学变化带走大量的热.此外这种材料被烧蚀后会形成一层隔热效果极好的碳层，这里需要强调一下，隔热好并非指材料的比热容大，而是指材料传递热量的能力差，物理上会用导热系数描述材料的导热属性，其单位是W·(m·K)－1.举一个简单的例子，铝的比热容是900J·(kg·K)－1，略大于石棉的比热容840J·(kg·K)－1，即相同质量下二者吸收相同的热量，升高的温度相差不大.但常态下铝的导热系数可以达到230 W·(m·K)－1左右，而石棉的导热系数仅为0.15 W·(m·K)－1，所以我们触摸金属铝会感到冰凉，就是因为热量被迅速传递走的缘故.而返回舱外涂层的导热系数会更低，据悉，专门为中国火星探测器研发的超低密度防热涂层材料，在保证质量极低的前提下导热系数可以低至0.06 W·(m·K)－1，各项基本物理性能都达到国际先进水平.有了这层防护衣，返回舱就具备了安全穿越大气层的基本条件.

图2 采用激光沉积3D打印制造的返回舱防热大底框架

在进入大气层后，钟型的返回舱会调整为大头朝下，“防热大底”会正对空气摩擦烧灼最严重的迎风面.此时，由于返回舱已经获得大量由引力势能转化而来的动能，其速度可以达到第一宇宙速度7.9km·s－1.由于高速运行与周围空气摩擦做功，返回舱外部的温度会攀升到2000℃左右.在这里需要明确的是，高中阶段对于温度的认识已经不再局限于物体的冷热程度，它是判定热力学系统是否处于热平衡的标尺，也表征了微观物质分子无规则热运动的剧烈程度.于是在舱外空气分子被加热到极高的温度获得大量能量后，其外层电子就会挣脱原子核的束缚成为自由电子，发生电离.于是这层温度极高的空气层就会变成一团游离的负电子和正原子组成的“浆糊”，因为这团物质的正负电荷总量依旧相等，可以近似看作电中性，所以被人们称为等离子体.

听到这个名词你或许会觉得有些熟悉，等离子体在社会生产生活中的应用十分广泛，但对于进入大气层的返回舱来说却并不是什么好事.从前文的描述不难判断等离子体是很好的导体，我们可以简单类比一下金属导体壳的静电屏蔽现象，就可以想见当返回舱外覆盖一层等离子气体时的状态.此外，返回舱的高速运动、高温以及带电体的库仑力相互作用，会让其中的带电粒子迅速流动形成电流，进一步干扰电磁波的传输.所以，这段时期返回舱与外界无线电通信被切断，地面无法通过任何形式控制返回舱的状态，只能依靠其自身调节.于是这段距离被称为“黑障区”，多出现在距离地表35km～80km的区间.通过“黑障区”后，地面控制会在几秒钟内再次锁定返回舱，并利用静压高度控制器通过测量大气压的方法确定距离地面高度，在距地10km左右处依次打开各级降落伞，防热大底也会在这一阶段通过爆炸的方式抛除，为舱体减速作出贡献.

对于开伞和抛大底的过程我们可以做一些动力学的分析推理.首先，使用爆破方式分离大底，其物理意义在于让大底获得更大的指向地面的速度，根据动量守恒定律可以推出返回舱在这一过程中将获得更多的减速效果.其次，去除大底可以有效减轻舱体质量，在降落伞提供相对稳定的阻力的前提下，根据牛顿第二定律，舱体可以获得更大的反向加速度.最后，为了防止航天员受到过大的瞬间冲击力，返回舱会分为三级依次打开引导伞、减速伞和主伞，延长开伞时间.这一过程后，返回舱的速度会降至7 m·s－1左右，初步具备了撞击地面的条件.

但是为了进一步保护航天员的生命安全，返回舱着陆前还有最后一步的防护措施.在离地1 m位置时，返回舱底部的反推发动机会快速反向点火，保证返回舱触地时速度低于2 m·s－1.整个返回过程三位航天员在舱内始终处于近乎平躺的姿势被座椅包裹住，通过人体工程学和增大受力面积的方法让减速导致的过大支持力均匀分布在人体各部分，再加上舱底的吸能外壳、减震材料，最终保障航天员身体不受损伤.

图3 返回舱启动反推发动机着陆瞬间

神舟十二号的返航，标志着中国航天史上的又一次巨大突破.仅就整个返航过程而言，虽然经历的时间并不算长，但却可以说是中国航天事业的一段缩影，成功就是在这样无数的细节中积累获得的，致敬伟大的航天英雄们.