生死时速——重返地球的科学

文/刘进军

编者按：2022 年，是我国空间站全面建成之年，也是我国载人航天工程立项实施30 周年。自1992 年中国载人航天工程立项实施以来，30 年间，我国载人航天事业逐步实现了从搭载一人到多人升空，从舱内作业到太空行走，从短期遨游到中期驻留的历史性跨越。

2022年4月16日9时56分，“神舟十三号”载人飞船返回舱安全着陆，返回时长从原来的28个小时左右，压缩到了9个多小时。该返回时间仅是“神舟十二号”载人飞船返回舱返回时间的七分之一左右，这就是“神舟十三号”载人飞船返回舱的“快速返回”技术，也是我国航天员历史上的首次尝试。本期“锐·聚焦”栏目将目光锁定人类重返地球的技术，重温那些承载着航天追梦人光荣与梦想的伟大瞬间！

回家，永远是最美好的事情！

宇航员返回地球，一般分为两种情况，即任务返回和紧急返回。任务返回是指宇航员完成任务后，按计划和飞行时序返回地球；紧急返回则是在飞船或空间站出现不可控的大麻烦时的选择。

飞船和空间站具有很高的密封性，在高温、高压的作用下必须保证气密性。在诸多保护措施下，它们在太空中飞行时仍要警惕设备漏气、破裂的意外状况，或是小行星撞击、宇航员突发疾病的可能性。如果遭遇上述情况，那么宇航员将立即进入返回舱接管自动驾驶仪，通过手动操作备份系统，控制飞船紧急返回。

目前，宇航员返回地球的方式有载人飞船返回、航天飞机返回和太空飞机返回3 种。其中，绝大多数的宇航员会乘坐载人飞船返回。载人飞船主要由乘员舱、轨道舱和推进舱3 部分组成。当宇航员需要重返地球时，乘员舱变为返回舱，载人飞船会陆续抛弃轨道舱和推进舱。返回舱以每秒7.9 千米的第一宇宙速度，进入地球浓密大气层。为了抵御进入地球大气层时遭遇的高热、火焰和其他危险，返回舱在功能、形状、结构、飞行时序、智能化飞行控制等方面可谓精益求精，力求万无一失。

“和平号”空间站的太阳能帆板被小行星撞击后的惨状

“神舟号”飞船

返回舱的功能

返回舱主要由两部分组成，即位于前部的隔热罩和位于后部的座舱。它是一种有着坚硬隔热外壳的着陆器，这外壳能帮助返回舱减速，并保护返回舱免受压力、热量和在进入大气层时由阻力产生的可能的碎片的影响。

在返回舱进入大气层的过程中，隔热罩面向撞击方向，吸收由返回舱前方空气压缩引起的高热量。座舱通常承载着宇航员和各种设备，以及降落伞、反推火箭、惯性测量仪和烟火控制系统等重要部件。其中，降落伞位于座舱的顶端，用于着陆期间减缓返回舱的速度。而惯性测量仪则用于使用降落伞减速下降的过程中监控返回舱的方向。

有些返回舱安装了反推火箭。在着陆的最后一秒，反推火箭点火，将速度降到5 ～6 米/秒。有些返回舱安装了安全气囊，以缓冲与海面的撞击。在这种情况下，返回舱可能会在第一次撞击地面后反弹。当返回舱着陆后，烟火控制系统会释放鲜艳的彩色烟雾，指示着陆方向和地点。

返回舱的任务目标决定了确保任务成功所需的飞行要求。这些飞行要求包括减速、防热、抗撞击和保证着陆精度。

返回舱的形状

为了符合空气动力学和气体动力学的相关原理，以及确保宇航员安全返回地球，科学家研制了近10种形状的返回舱。目前，世界各国主要采用3 种形状的返回舱，分别是球形、钟形和圆锥形。

球形返回舱的外观设计符合空气动力学原理。它的稳定性得到保证，但没有升力，几乎没有升阻比。同时，它也没有更大的横截面，不能借助空气阻力减缓速度。20 世纪50 年代末至60 年代初，苏联早期的“东方号”飞船返回舱都是球形返回舱。

返回舱的结构和载荷质量，直接影响它所能承受的最大加速度。如果它的结构设计得足够好，且由坚固的材料(如钢)制成，那么它可以承受更高的重力加速度。然而，也需要考虑有效载荷的问题。虽然返回舱的结构可以承受重力加速度，但这并不意味着它的有效载荷也可以承受重力加速度。例如，宇航员只能承受12的重力加速度，如果超过这个高限数值，那么将导致宇航员死亡。返回舱还必须能够承受高超音速，以及进入大气层时因剧烈摩擦而产生的高温。最后，它必须能够穿透大气层，准确地降落在某个地点，而不偏离。

航天员杨利伟乘坐的“神舟五号”飞船返回舱

呈球形的“东方号”飞船返回舱

“神舟号”飞船的钟形返回舱

钟形返回舱呈底大头小的钟形结构。它的设计优点众多，比如，飞船在轨道上飞行时，钟形返回舱与轨道舱、推进舱连接方便；在进入大气层时，它不怕气流的扰动，升阻比较好；在着陆时，它能够起到不倒翁的作用，稳定性好。俄罗斯的“联盟号”、我国的“神舟号”飞船的返回舱都采用钟形的形状。

圆锥形的“阿波罗号”飞船返回舱

而圆锥形返回舱采用上尖下圆、上小下大的结构。它进入大气层时，以-27°的高超音速配平迎角飞行，可以获得0.368 的升阻比，由此产生升力。圆锥形返回舱可以将返回舱的质心偏离其对称轴，实现横向范围控制，并通过在返回舱的纵轴上滚动，实现向左或向右的升力。上小下大的结构让返回舱的重力加速度从8 ～9降低到4 ～5，并大大降低再入大气层的速度和热量。“阿波罗号”飞船的返回舱就是圆锥形的形状。

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阻力、重力与升力

返回舱经历进入大气层、下降和着陆阶段，必将遭遇两个最大的外力：阻力和重力。此时，返回舱可以利用一个力，即升力。

阻力是妨碍物体运动的作用力。空气是不同分子的混合物，包括氮气、氧气和二氧化碳等。任何从空气中落下的物体都将撞击这些分子，并因此减慢速度。返回舱上的阻力大小取决于很多因素，包括空气密度，以及返回舱的形状、质量、直径和表面粗糙度。

返回舱下落的速度，很大程度上取决于重力。物体由于地球的吸引力而受到的力叫重力。重力的施力物体是地球。重力的方向总是竖直向下。物体受到的重力的大小跟物体的质量成正比，重力随着纬度大小改变而改变。

在实践中，返回舱确实会产生显著且有用的升力。升力用于控制返回舱的轨迹，从而减小作用于宇航员的重力，并减少进入返回舱的峰值热传递。因为返回舱在高海拔地区停留的时间越长，空气就越稀薄，接受和传导的热量就越少。

返回舱的结构

返回舱的结构可分为座舱、防热层、降落伞和反推火箭4 部分。其中，座舱的一侧或两侧设置了观察舷窗。此外，在座舱的一侧还设置了一个进出舱的舱口。座舱内为宇航员配备了可以减小冲击力的座椅，外观非常像婴儿椅。这是因为在返回地球的时候，宇航员必须保持蜷缩的姿势，这是非常安全的姿势。在返回和着陆前，宇航员还要将这个座椅抬升，以缓冲落地瞬间所带来的冲击力。各种应急物品、科研仪器、照相胶卷、U盘和试验样品，以及科学数据和遥感资料等都会放在座舱里。

当返回舱与大气剧烈摩擦时，会在舱外产生1500℃的高温和烈焰。为避免与大气剧烈摩擦产生的高热烧穿舱壁，返回舱主要通过辐射式、吸热式和烧蚀式3 种方式来隔热。辐射式通常采用具有辐射性能的钛合金、陶瓷等复合材料，将热量辐射散发出去。吸热式则采用导热性能好、熔点高和热容量大的金属吸热材料，吸收大量的气动热量。烧蚀式的工作原理是：当产生高温火焰时，返回舱表面的高分子材料会燃烧、熔化、分解、气化，以此抛甩大量的高热和火焰。烧蚀材料由陶瓷复合材料，碳碳复合材料，石棉、玻璃与酚醛掺合形成的复合材料等构成。

热防护材料

我国“神舟号”飞船返回舱采用以烧蚀式为主、以辐射式和吸热式为辅的隔热方式。“神舟号”飞船返回舱的直径为2.5 米，表面积为22.4 平方米，采用先进的隔热材料技术，给返回舱穿上一层25 毫米厚的“防热衣”，防热材料总质量约500 千克。返回舱的内部温度可以控制在21℃至30℃。为避免局部过热，返回舱的滚转调姿发动机，会通过使返回舱自转来均匀受热。

此外，“神舟号”飞船返回舱还装备了引导伞、减速伞和主降落伞3 种伞。如有必要，还将装备第4种伞，即备份伞。“神舟号”飞船返回舱的主降落伞面积为1200 平方米，全长达70 多米，伞衣长20 多米，质量仅90 多千克，折叠后只有一个手提包大小。

反推火箭又被称为“反向火箭”或“逆行火箭”“制动火箭”，是一种火箭发动机。当反推火箭用于轨道上的变轨时，被称为“制动火箭”；用于地球上的减速时，被称为“反向火箭”。它提供的推力与航天器的运动方向相反，从而达到减速的目的。反推火箭还可用在月球和火星等其他天体的着陆器上。

当轨道上的航天器需要变轨、下降，就启动反推火箭，减速到一定速度，并改变方向。当返回地球时，航天器在着陆前的最后1 秒，启动反推火箭，利用空气动力，迅速减缓运动的速度，最终返回地面。

热防护材料

利用反推火箭安全着陆

返回舱外壳具有一层很厚的防热层

如果没有反推火箭，那么宇宙飞船就将在轨道上停留数年，直到它们的轨道自然变慢，并在较晚的时间重新进入大气层。如果没有反推火箭，那么返回舱将在地球上硬着陆，直接撞击地面，后果难料。因此，航天器必须配置非常可靠的反推火箭。

为了抵御进入地球大气层后面临的热量、火焰和其他危险，返回舱已成为一款高附加值的航天科技精品。如果你热爱航天事业，并且拥有智慧和想象力，那么你能设计一款最新型且具有高科技含量的返回舱吗？

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航天器的归宿

“宇宙飞船墓地”，又被称为“航天器公墓”，位于南纬47° 24′ 42″、东经177°22′45″的南太平洋。这里岛屿稀少，人类活动很少，几乎没有船舶航行，水下资源也未被开发，是世界上最安静的海域。因此，联合国开辟了一片长1000 千米、宽1200 千米的海域作为宇宙飞船的归宿地。

当完成太空飞行或使用寿命终止后，航天器的命运各不相同。其中，有些卫星进入更高的坟场轨道，无限期地留在太空中。坟场轨道又被称为“垃圾轨道”或“处置轨道”，它是远高于地球同步轨道的超同步轨道。一些航天器会被移入这种轨道，以减少与其他航天器相撞和产生太空碎片的概率。这些被废弃的航天器就变成了太空垃圾，越积越多，造成了太空污染的问题。对于太空飞行而言，太空垃圾是一种危害，一直是太空交通管理的难题。

另有一些航天器在重返大气层时解体，但零部件并没有燃烧殆尽，坠落在“宇宙飞船墓地”里。从1971 年至今，“宇宙飞船墓地”共安葬了300 多颗（座）废弃的卫星、宇宙飞船和空间站碎片。这其中有充满传奇色彩、至今仍令人备感怀念的苏联“和平号”空间站，以及我国的“天宫一号”目标飞行器、“天宫二号”空间实验室等航天器碎片。