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文汇 09-16

专家揭秘神舟十二号回家之旅:航天员重返地球风险高,首次在东风着陆场降落

载人航天工程空间站工程阶段飞行任务总指挥部决定,9 月 17 日神舟十二号飞船返回地球。

据中央纪委国家监委网站 9 月 16 日消息,出差 3 个月,航天员要回家了。离开中国空间站,踏上重返地球的路,航天员要闯过哪些关?与嫦娥五号带着月壤回家相比,神舟十二号回家有何异同?对此,记者专访了国际宇航联空间运输委员会副主席杨宇光。

航天员重返地球风险高,首次在东风着陆场降落

问:神舟十二号的三名航天员从太空出发,重返地球家园,这个过程大致是怎样的呢?

杨宇光:重返地球是一个高风险过程。航天器以 7.8 公里每秒的速度环绕地球运行,而空间轨道运动的特点是,如果航天器原来是在一个圆轨道上运行,只需把速度稍降一点点,就会进入一个椭圆轨道,这个椭圆轨道离地球最近的点是近地点。当速度降到一定程度后,这个近地点就能低到大气层内了,随后利用大气阻力减速。

飞船和地心连线与地面的交点被称为星下点,而飞船运行和地球自转使得星下点在地球表面移动,形成星下点轨迹。当轨迹运行到非洲南端附近时,地面会向飞船下发制动指令,减速后进入近地点降低后的椭圆轨道运行。大约在经过巴基斯坦卡拉奇上空时,飞船接触大气层并开始气动加热,随后经过我国新疆入境。在飞行高度达到 10 公里左右时,飞船打开降落伞,速度进一步降低,并抛掉它下面的防热大底。大约离地面还有一米高时,飞船里的几个小固体火箭发动机进一步反推减速,让航天员以一个舒服的速度着陆。

返回过程复杂,任何环节都不能出错。首先,飞船与大气剧烈摩擦产生极大热量,因此飞船具有气动外形,下面有一个防热大底,承受上千度的高温,防止热量传到航天器内部,这是返回过程中影响飞船安全性的一个关键问题。第二,降落伞必须能够正常工作,这也是神舟飞船设计了主、备两套伞的原因。降落伞在人类航天历史上出过问题,上世纪 60 年代,苏联 " 联盟一号 " 就发生了降落伞缠绕问题,没有打开,返回舱以极快的速度撞击到地面后立刻上升,教训惨痛。此外,还有座椅抬升缓冲、维持舱内气压等一系列操作,共同保证航天员安全着陆。

问:这次神舟十二号返回与之前的返回任务相比,有什么不一样吗?

杨宇光:我认为主要有两点不同。第一,神舟十二号与空间站核心舱对接了三个月,过去神舟飞船没有飞过这么长时间,这三个月里,空间辐射环境等都对飞船设备产生影响。飞船和核心舱分离前,我们会对这些设备进行充分检测,确保没问题再离开。

第二,这是神舟飞船首次在东风着陆场降落,而过去神舟飞船都是落在四子王旗着陆场。为什么这次换地方了呢?过去,神舟飞船是从一个固定的高度返回,而到了空间站阶段,神舟飞船在轨时间变长,运行轨道受空间站轨道规划影响,所以它的高度变化范围较大,不见得是从一个固定高度返回。

高度变化,意味着飞船返回着陆点范围可能会变化较大,主要体现在东西方向上。东风着陆场位于戈壁地区,它的整个东西方向的宽度更大,且大都属于无人区或者说是一个相对安全的区域,降落更具可控性和便利性。

北斗导航终端精确定位飞船位置,测控站全程监视飞船飞行,光学设备和雷达跟踪预报轨迹

问:如何确保飞船降落在可控区域内?我们可以准确判断降落点吗?

杨宇光:飞船采用半弹道式方式返回,整体受控,具有理论落点。但是,飞船再入大气层的过程中受到各种扰动,大气层密度、高空风场都会对飞船轨迹产生影响。当飞船降落伞打开后,风的影响还会更大。

但这不代表飞船着陆不可控。返回着陆是一个系统工程,需要多方面配合,地面的着陆场系统、测控系统都要进行很多工作,国内外的多个测控站全程监视飞船飞行,光学设备和雷达跟踪预报轨迹。

问:神舟十二号上有没有定位设备?我们是不是可以随时得知飞船的 " 实时位置 "?

杨宇光:飞船上有北斗的导航终端,在空间轨道运行时可以精确给出它的位置和速度。不过,在飞船再入大气层过程中,有一段导航是不起作用的,我们称之为 " 黑障区 "。刚才提到过,再入过程摩擦剧烈产生高温,高温会使飞船表面的防热材料烧蚀,形成带电的等离子体鞘,它能屏蔽无线电波,地面与飞船之间的无线电通信便中断了。不只是神舟飞船,任何航天器在返回地球时都会出现这种现象。随着飞船速度降低,温度降低,等离子体鞘解除,通信也就恢复了,地面可以实时得知飞船位置和速度。当然,即使在 " 黑障区 ",我们也可以用雷达去密切监视飞船。

落地后,导航终端依然有效,搜救人员可以获知飞船坐标。在精确预报的前提下,地面搜救团队才能在飞船落地后快速到达落点。飞船上也有无线电信标以及闪光灯来辅助搜救人员找到飞船。

与嫦娥五号不同,神舟飞船返回需着重考虑人的安全

问:去年嫦娥五号携月壤返回地球,大家也都特别关注。神舟飞船载人返回的过程和嫦娥返回的过程一样吗?

杨宇光:差别很大,最大的不同在于神舟飞船是载人返回,需着重考虑人的承受能力和安全问题;嫦娥五号没有人,难点在于返回速度快,受力受热更严重。

飞船在起飞和返回阶段有加速度,加速度比较大时,就会出现过载现象,即人要承受相当于身体几倍的重量。一般来说,神舟飞船返回时,它的过载不会超过航天员身体重量的 3 到 5 倍,但航天员在离心机上训练时要承受 8 倍体重的荷载,这是因为一旦出现飞船需紧急返回的情况,加速度会更大,航天员承受的重量也会更大,因此平时训练的强度一定要比实战情况大,以防万一。

嫦娥五号返回器里面没有人,不需要考虑这些问题,但它的难点在于返回速度更快,达到约 11 公里每秒(接近第二宇宙速度),因此受到的阻力和热量也比神舟飞船大得多,所以我们需要验证这个关键技术,这也是为什么我们在嫦娥五号任务之前,还进行了嫦娥五号 T1(再入返回飞行)试验任务,验证防热等性能是否可靠。

嫦娥五号还采用了 " 半弹道跳跃式返回 "(俗称 " 打水漂 ")方式。返回器不是进入大气后一直下降,而是进入大气层一定 " 深度 " 并滑行一定距离后再利用本身的升力 " 漂 " 出去,然后再进入大气层返回地球。这样有两点好处:一是航天器两次再入大气层,航天器受到的气动力和气动加热比一次直接进入小得多;二是通过半升力控制实现对飞行轨迹的控制,这样就可以在更大范围内精确调整着陆点。将来,如果要进行载人登月任务,那返回阶段就相当于要把神舟飞船的返回技术和嫦娥五号的返回技术做一个结合,能力再进行提升。

航天员在轨做好体能准备,重返地球有重力适应过程

问:我们看航天员出舱一般都是被 " 抬 " 出来,这是为什么呢?在太空里生活了三个月,回家是不是也有一个适应过程?

杨宇光:我们经常看到神舟十二号三位航天员在太空锻炼,要么在跑步机上跑步,要么蹬自行车。这是必须的,不能 " 偷懒 "。我们在地球上,天天受重力影响,骨骼和肌肉都能受到刺激,而航天员长期在太空的微重力环境下生活,肌肉和骨骼不再受到重力刺激,肌肉会不断萎缩,骨钙也会丢失,因此必须坚持锻炼身体,保证肌肉骨骼的健康。

航天活动早期,人们对这一现象并没有太深刻的认识,航天员回到地球后就马上出舱门了。到了 70 年代后期,航天员在轨时间越来越长,其中 " 礼炮 6 号 " 太空站航天员最多待了 100 多天,而 " 礼炮 7 号 " 航天员在里面待了 200 多天。由于对体能问题认识不深入,航天员没有进行充分锻炼,回到地球后就变得非常虚弱。后来大家意识到了这个问题,就加强了航天员在轨期间的锻炼。

即便如此,航天员从长期的失重环境回到了地球,还是有一个重力适应的过程。所以我们看到,无论是国外的 " 联盟号 " 飞船还是我们的神舟飞船,返回地球以后,航天员都要在座舱里面进行重力再适应,根据不同人的体质条件和反应情况,时间可长可短。当然,航天员并非不会 " 走 ",如果出现紧急情况,比如降落在水面或者其他非正常区域,航天员也是要自救的,而地面人员把航天员抬出来,是出于安全考虑。

中国载人航天起步晚但发展快,整体技术水平达到第四代空间站水平

问:这两年航天活动愈发密集,卫星发射、行星探测、载人航天工程都在紧锣密鼓地进行。我国建设空间站,对未来开展航天活动有什么意义?

杨宇光:我国最早的载人航天计划不是现在的 921 工程,而是上世纪 60 年代末的曙光一号计划,但受限于当时条件,计划最终取消。到了 90 年代,随着经济实力和科技实力的提升,我国具备了相应条件,载人航天工程重新启动。工程之初,目标就很明确,是要利用载人航天开展科研活动。与发射各种科学卫星不一样,载人航天是发挥人的主观能动性,也就是让航天员在太空进行科研,那最好的平台是什么?就是适合航天员长期工作生活的空间站。目前,我们已经经过了关键技术攻关和验证阶段,现在是 " 开花结果 " 的时候了。

载人航天并不属于经济效益快速直接的航天活动,它不像通信卫星、导航卫星和遥感卫星,直接服务于国民经济,已经产生客观的经济效益,载人航天和深空探测的价值更多体现在成果转化上。比如,尿液收集装置成果转化为 " 尿不湿 ",这还只是很小的例子,更多的是一些更长线、更间接的成果转化,需要比较长的周期,但是整个效益和回报率非常高。我们建设航天强国,一定要开展载人航天和深空探测活动,它对于整个航天产业、高技术产业乃至于整个国家的国民经济都有非常重大的牵引作用。

问:中国空间站和早期国外的空间站、如今的国际空间站相比,有何特点和亮点?中国载人航天起步比较晚,但是发展比较快,标准也比较高,背后有何原因支撑?

杨宇光:到目前为止,空间站已经发展了四代。70 年代初,前苏联的礼炮 1 号到礼炮 5 号,以及 1973 年美国发射的天空实验室 1 号,都是第一代空间站,特点是只能对接一艘飞船,航天员只能短期驻留。

到了 70 年代,礼炮 6 号和礼炮 7 号有两个对接口了,意味着在对接一艘飞船的同时,还可以有另一艘飞船给它送去补给,支持中长期在轨驻留活动,属于第二代空间站。

和平号空间站是首个第三代空间站,它采用了模块化设计,和平号空间站核心舱后续对接了量子 1 号、量子 2 号、光谱号、晶体号、自然号等舱段,组合成一个 100 多吨的庞大组合体。

到了 1998 年,国际空间站第一个模块发射入轨。作为第四代空间站,它采用了桁架挂舱式结构,即以桁架为基本结构,其他舱挂靠在桁架上。国际空间站由 16 个国家联合建造运营,重量达 400 多吨,可以支持大规模科研活动。

中国空间站采用了类似于第三代和平号空间站的模块化设计,但是它的整个技术水平和指标达到了第四代国际空间站的水平。比如,问天号和梦天号实验舱采用了两自由度的太阳能帆板,任何时候都可以用最高效率来对准太阳,获得能量,目前只有国际空间站采用了这样的技术。中国空间站还是世界上第一个采用电推进发动机进行轨道保持的空间站,我们采用的机械臂技术也是很先进的。

中国空间站规模适度,符合国情。我国是一个航天大国,正朝着航天强国的目标迈进,但仍是一个发展中国家,资源和经费都有限,400 多吨的空间站规模既不现实,也无必要。未来,我们的空间站也是可扩展的,很有可能再增加一个核心舱,有更多对接口和靠泊口,从而再增加其他舱段,甚至有可能与其他国家开展国际合作,执行更多更大规模的科研任务。

在党的领导下,我们制定了合理的总体路线图,一步步扎实前进,少走了很多弯路。我国载人航天工程早在 1992 年就提出了 " 三步走 " 的发展战略,前两步已经实现,现在正在走第三步——建造空间站阶段,整个路线非常明确,坚定不移地按照这个路线前进,没有出现路线反复、资源浪费的情况,而且我们遵循了 " 有所为有所不为 " 的原则,选择特定的领域进行攻关,以合理的投入获取最大的工程和科学研究回报。

编辑:施薇

责任编辑:孙欣祺

来源:中央纪委国家监委网站

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