技不如人?神舟十八着陸!落地瞬間底部冒火光,爲何美國飛船不會
神舟十八號飛船在11月4日凌晨安全返回地球了。神舟十八號飛船在4月25日發射升空,在軌飛行超過6個月,神舟十九號飛船在10月30日發射升空,神舟十九號任務的開始標誌着神舟十八號任務的結束。
神舟十九號飛船抵達中國空間站後,2個航天員乘組進行了在軌交接、在軌輪換,整個交接、輪換持續了幾天時間。在完成這些任務後,神舟十八號飛船在11月3日下午從中國空間站撤離開始返航。
和之前的飛船返航過程一樣,神舟十八號飛船也是在東風着陸場着陸,而當神舟十八號飛船返回艙着陸到地面瞬間,底部也會發出火光,現場還會掀起灰塵,可以說是煙塵滾滾。
這是怎麼回事?爲什麼美國飛船在返航的時候不會出現這樣的現象?難道是技術差異導致的嗎?說明一下,並不是我們的技術不如美國,而是我們的神舟飛船和美國飛船的着陸點選擇決定的。
飛船着陸瞬間爲何“火光四濺”
飛船返航的過程其實可以理解爲減速、降低飛行高度,然後降落到地面的過程。因爲飛船在環繞地球飛行的時候速度極快,接近地球第一宇宙速度7.9公里每秒,而着陸的時候需要把速度降到接近0。
整個着陸的過程所需的時間又不會很長,涉及到一系列的操作,任何一步出現錯誤都可能會導致沒法安全返航,所以飛船返航時是充滿了驚險的。
飛船從空間站組合體進行撤離時是一個完整體,有軌道艙、服務艙、返回艙3個艙段,航天員就穿着艙內航天服坐在返回艙內,最後乘坐返回艙着陸到地面的。在撤離後,飛船組合體一起飛行一段時間,在這個過程中飛船需要進行姿態的調整,同時也需要進行各個艙段的分離,最先分離的艙段是軌道艙,最後分離的艙段是推進艙。
推進艙在分離前,會啓動發動機進行一次制動減速,把返回艙、推進艙組合體的速度降下來,隨着組合體的飛行速度下降,它的飛行高度也會隨之下降。當下降到一定的高度後,返回艙和推進艙進行分離,把推進艙留在外太空,而返回艙則繼續按照設定的軌跡不斷下降高度,最後以極快的速度進入大氣層。
當返回艙快速進入大氣層後,在氣動加熱效應的作用下,返回艙外部的溫度就會不斷上升,部分位置的溫度最高可以達到1000多℃。在這麼高溫的灼燒下,返回艙外部會被燒得通紅,整個返回艙就像被熊熊大火包圍着。之前王亞平在接受採訪時就稱坐飛船返航的時候就像在《西遊記》的煉丹爐裡那樣,透過飛船的舷窗可以看到飛船外部燒得通紅,還會聽到噼裡啪啦的聲音。
所以,飛船返回地球的過程非常危險,如果再入大氣層的技術不過關,載人航天就沒法實現。這也是爲什麼到現在有那麼多國家都有能力發射衛星、發射探測器,卻只有3個國家能夠發射載人飛船的原因。
在穿過高溫的灼燒後,返回艙的速度會越來越慢,但是速度還是相當快,沒法直接安全着陸,所以還要繼續降低下降的速度。在距離地面還有10公里左右時,返回艙會打開降落傘,像神舟載人飛船返回艙的降落傘面積達到1200平方米,面積非常大。在降落傘的阻力下,返回艙的速度可以下降到7-8米每秒。
“最後一米”的穩穩託底
我們的神舟載人飛船在傘降的過程中,還會拋掉返回艙底部的隔熱大底、防熱大底,這樣做的原因是要把安裝在底部的反推發動機暴露出來,這一步也是非常重要的。隔熱大底、防熱大底可以承受超高溫度,保護底部的反推發動機以及其他的設備。
在重返地球時,返回艙的底部處於下降的正前方,底部的溫度幾乎是最高的,如果沒有防熱大底、隔熱大底的話,返回艙可能會被燒燬。而在穿過高溫灼燒後,底部的防熱大底、隔熱大底沒法拋掉的話,反推發動機可能就沒法正常運行,如果反推發動機沒法裸露出來的話,着陸瞬間衝擊力會比較大。
因爲在降落傘的幫助下,返回艙的下降速度最多也只能下降到7-8米每秒而已,沒法進一步降低下降速度了。而有反推發動機就不同了,當神舟載人飛船返回艙下降到距離地面還有1米左右時,返回艙底部的4臺反推發動機就會同時啓動了,給返回艙提供一個向上的推力。
反推發動機可以進一步降低返回艙下降的速度,降低到1-2米每秒,最終穩穩地降落到地面,降低返回艙着陸時的衝擊力。而反推發動機啓動的瞬間,返回艙底部就會冒出火光,巨大的推力也會掀起着陸點周圍的灰塵,瞬間就煙塵滾滾。
在着陸瞬間,如果着陸位置地面不平坦的話,返回艙可能會出現傾倒的情況,也就是側翻,而不是直立停在地面上。除此之外,如果在降落的過程中側風比較大的話,降落傘也會拖着返回艙走,返回艙在着陸到地面後可能會被降落傘拖着在地面翻過、側翻。這個時候是沒法控制的,所以返回艙着陸時的狀態是直立還是側翻,很大程度上靠運氣。
而美國飛船不像我們的神舟載人飛船那樣在陸地降落,他們選擇在大海上降落,簡單粗暴,掉到大海就行。海水可以直接起到緩衝作用,所以美國返回艙的底部就不需要反推發動機了。既然沒有反推發動機,美國飛船着陸的時候也就不會出現火光四濺、也不會出現煙塵滾滾的情況。
我們的載人飛船着陸時會出現這樣的情況,其實是因爲着陸場在陸地,比較硬,着陸瞬間衝擊力比較大,需要進行一次減速減緩衝擊力。而美國飛船不需要進行最後的緩衝,其實就是因爲他們飛船直接掉到大海里就行,然後再去打撈。
所以,着陸瞬間是否需要進行最後的減速,取決於在陸地還是大海着陸,並不是說我們的飛船技術不行,如果美國的載人飛船在陸地降落,也需要進行一次緩衝。
如果要說着陸瞬間啓動反推發動機的技術難不難,這確實是一件很難的事情。因爲這些反推發動機需要在距離地面1米的時候啓動,啓動時間稍微晚了那麼一一點,飛船就已經落地了,當然也不能提前啓動,所以這4臺反推發動機必須在10毫秒內同時點火,還需保證在200毫秒內推力精準一致。四臺發動機點火偏差達到毫秒級水平,這是相當難的。如果其中有一臺反推發動機啓動出現異常的話,都會導致飛船落地時的姿態出現異常。
貨運航天飛機來了
在歷史上,曾經有一種載人航天器可以像固定翼飛機那樣在機場跑道滑翔着陸,而不需要像神舟載人飛船降落在着陸場、美國載人龍飛船掉入大海,那就是航天飛機,不過早已退役了。
雖然我國現役的載人飛船不能在機場跑道着陸,但是我們正在研製一款可以貨運航天飛機,那就是由中國航空工業集團成都飛機設計研究所提出的昊龍貨運航天飛機方案。
在10月29日神舟十九號飛行任務新聞發佈會上,我們官方公佈了低成本貨運航天器和載人月球車研製方案的評選進展情況,其中一個就是昊龍貨運航天飛機。
昊龍貨運航天飛機將採用大翼展、高升阻比、可重複使用飛行器技術方案,在發射升空時使用運載火箭發射,而返回時則在機場跑道水平着陸,在完成檢測、維護後,昊龍貨運航天飛機還能再次去執行飛行任務,可以大大降低中國空間站貨物運輸的成本。而昊龍貨運航天飛機由於是在機場跑道滑翔着陸,所以返航時就不需要像神舟載人飛船那樣需要反推發動機進行最後的減速了。