神舟系列知识点:神舟飞船着陆过程介绍,神舟飞船如何在1米高处精准反推着陆的?

不知各位看历次神舟飞船着陆视频或动画时,有没有注意到一个现象:飞船返回舱在经过空气制动、降落伞减速后,在最后接触地面的一瞬间,底部的反推发动机会启动,完成最后的减速,将飞船稳稳地落在地上。

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反推发动机启动

这个最终减速过程非常重要,由于飞船的重量寸土寸金,而且对着陆精度有要求,所以降落伞不会做得太大,否则不仅占重量占体积,有可能还会带着飞船飘走。因此降落伞打开后只能把下降速度降到8~10米/秒,或者说28.8~36公里/小时,这个速度还是比较大的,如果直接这样着陆,相当于以这个速度撞墙。而航天员是背部朝下面朝天坐在返回舱里,如此高的着陆速度有可能损伤航天员的颈椎,为了确保他们的安全,必须进一步减速。

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神舟飞船的主降落伞

而这一关键的减速过程由多台反推发动机完成。这些发动机使用固体燃料,虽然每台的个头和重量都不大,但却能在瞬间产生大约3吨的巨大推力,4台一起工作,就有十多吨推力,可在短时间内将返回舱的下降速度减到2米/秒,这样的落地速度再加上舱内座椅的缓冲,就能确保航天员的安全了。

这个步骤听起来简单,实现起来却困难重重!一个重要原因就是反推发动机的点火时机非常关键,必须在距离地面约1米高度。假如启动晚了或压根没启动,飞船着陆速度就会过大,有可能伤害到航天员。如果启动过早,由于固体燃料是一锤子买卖,一旦点火就会很快烧完,没有第二次机会。如果反推发动机工作结束后飞船处在比较高的位置,下落时就会再次加速,同样会使着陆速度过大。

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神舟12号航天员在返回舱内

那么怎样来确定返回舱的离地高度,从而在准确的时间发出点火信号呢?这就涉及到一个高度测量问题。有些网友会说:测量高度还不简单,用大气压的原理不就行了?海拔高度越高,气压就越低,这是中小学生都知道的道理,通过测量大气压的值,就能换算出当前的海拔高度。飞机的高度表就是利用气压来测高的,但它却有个问题:误差太大,例如在地面上和地面上方1米处的气压差别微乎其微,通过这个根本无法测量高度。

实际上,当飞机飞行高度低于2500英尺(即762米)时,就会使用无线电高度表,这东西和雷达有点儿相似。它向地面发出无线电波,并接受地面反射回的电波,理论上测出往返的时间再乘上光速再除以2就是距离。很显然这个时间是一个非常小的值,不好直接测,一般采用调频的方式,让无线电波的频率随时间变化,这样接受到的频率和发出的频率有一个差值,根据这个差值就能求出往返时间,进行算出高度。

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飞机在低空使用无线电高度计

这种高度表对于民航飞机已经足够用了,但对于一个要着陆的航天器来说,精度还不够,原因是无线电波的波长太长,误差还是比较大。如果改成频率更高的电磁波,精度就能提高,于是又出现了激光高度计,例如嫦娥四号上的激光测距敏感器,从距月面30公里到15米的高度上,测距精度达6厘米,已经非常好了,但如果高度再低,就有点儿力不从心。对于载人飞船反推着陆来说,需要在1米的高度上实现高精度测距,即使是激光高度计也不能满足要求。

怎么办呢?只能使用更高的频率,而最高频率的电磁波段就是γ射线,频率高出天际,已经更像是一个粒子。由放射性物质发出的γ光子到达地面后会发生散射,一部分光子被反射回来并被探测器接收,离地面越近,接收到的γ光子越多,尤其是在1米以下这种高度上,反射回的光子计数会急剧增长,敏感性很高,特别适合在极低高度条件下进行测量。

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γ光子高度计原理

同样采用反推发动机的俄罗斯联盟TMA载人飞船上就安装了γ射线高度计,在0.6至0.9米高度上能实现4厘米的精度,这是其它测高方式所不能企及的。我国的神舟飞船使用自行研制的γ射线高度计,性能至少不亚于俄罗斯产品,在神舟飞船历次载人飞行以及嫦娥探月任务中都有优秀的表现。

正是由于神舟飞船返回舱拥有在极低高度下还能精确测量的γ射线高度计,才能够在距地面1米处准确发出点火信号,反推发动机收到信号后将在20毫秒之内点火,来一脚紧急刹车,确保航天员安全回家。

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飞船底部

估计有人会问:这么一来,返回舱上岂不是有放射源?没错!要想产生γ射线就得携带放射源,但它带有屏蔽,无法向舱内辐射,不会对航天员构成伤害,但它工作时会向外侧发出γ射线。因此返回舱着陆后地面人员的一大重要操作,就是赶紧用特制的屏蔽盖将底部的高度计盖住,防止靠近的人被辐射。等航天员出舱后,地面人员还要把放射源取出来,放到专用容器内储存。

说到这里,相信不少朋友已经想到了另一个航天大国:美国。作为航天领域技术最先进的国家,美国的载人飞船用不用γ射线高度计来测高呢?还真不用,这倒不是说该技术不先进,也并非是美国人搞不出来,而是美国载人飞船的着陆方式与中俄有区别,迄今为止,他们的载人飞船,包括水星、双子星、阿波罗飞船等等,以及最新的SpaceX龙飞船,其返回舱都是在大海上降落的,为此还专门用了个词儿叫“溅落”。

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美国载人龙飞船在海上溅落

这种着陆方式很符合美国的国情。在海上溅落,海水会提供足够的缓冲,因此除了降落伞之外,不需要再设置反推发动机,节省了飞船的重量和空间。而且地球表面70%以上都是海洋,海面平坦宽阔,对着陆精度的要求比陆地更低。

在海上溅落也有劣势,除了一不小心会沉没之外,更需要在远离陆地的海域有很强的搜索和救援能力,而作为全球海上霸主的美国恰恰最拿手,拥有很多航母和两栖攻击舰,装备有大量直升机,并且其海军舰艇和基地遍布全球,用这种方式特别合适。

再回头一看,美国的优势恰恰是中俄的劣势。苏联在其全盛时期,海军实力也远不能与美国相比,无法有效控制海洋。在这种情况下,采用海面溅落的方式需要派出庞大的舰队,不仅成本高昂,还有可能受到其它海洋强国的骚扰,风险较大。因此苏联和俄罗斯选择了在平坦的大草原上着陆,他们最不缺的就是大草原。直到现在,俄罗斯的联盟飞船依然选择在哈萨克斯坦境内着陆。

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联盟飞船在哈萨克斯坦着陆

我国的载人航天计划开始时,海军实力比起苏联还要差得多,连苏联都不敢轻易使用的海上溅落,我国自然也不可能采用。因此神舟飞船毫无意外的也是在陆地着陆,主着陆场是内蒙古四子王旗,备用着陆场就是这次神舟12号降落的东风着陆场。

其实,神舟飞船的“降落伞 反推发动机”着陆方式,虽然反推发动机的体积和重量代价都比较小,但也存在一大问题,就是在着陆有可能损坏返回舱,不利于重复使用。对于一次性使用的神舟飞船倒不是什么问题,但对普遍具备重复使用能力的新型载人飞船来说,就不太合适了。要想重复使用,就得改成其它方式。

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我国新一代载人飞船采用气囊缓冲

美国SpaceX公司的载人龙飞船就曾经想过抛弃降落伞,用“反推火箭 着陆腿”的方式着陆,可以任意选择着陆点。但NASA觉得风险太大,否决了该方案,改成了较为稳妥的海上溅落,好在只要处理得当,经历过海上降落的飞船仍然能够再次使用。而另一种可选的着陆方式就是“降落伞 气囊”,在离地面较近时给气囊充气,通过柔软的气囊实现落地缓冲,同样可以减小对返回舱的损坏。

我国新一代载人飞船就是采用了多个降落伞 气囊的方案,但这种方式也有缺点:气囊和充气用的气体会占据较大的空间,不利于飞船的总体设计。好在新飞船比神舟大得多,能够承受这种代价。

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我国新一代载人飞船试验船底部的气囊

那么当神舟飞船被下一代载人飞船取代后,γ射线高度计这种“神器”会不会失去用武之地呢?那倒不会,在月球、火星甚至更远天体上软着陆时,γ射线高度计还是能够发挥它的作用,毕竟在1米高度精确测距的绝活儿,它可是独一份儿!

0 条回复 A 作者 M 管理员
    所有的伟大,都源于一个勇敢的开始!
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