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神舟十三号即将凯旋!返回时间大幅减少到7小时,怎么实现的?

神舟十三号,于2021年10月16日发射升空,3名航天员开启了为期6个月的空间站驻留任务。在此期间,先后开展了两次出舱“太空行走”活动,两次进行天空授课,还开展了机械臂辅助舱段转位与手动操作、一系列的空间科学实验等,这些任务的圆满完成,为下一步全方位、开足马力完成天宫空间站建造,奠定了坚实的基础。

按照既定计划,神舟十三号3名航天员即将于4月中旬离开空间站。根据最新的消息显示,4月16日将择机实施载人飞船与天和核心舱分离,返回舱通过“再入大气层”的方式返回地球,预计从飞船脱离空间站到抵达地面,前面用时仅仅7.5个小时,这个时间要比神舟十二号的28.5个小时,大幅压缩了21个小时。这是怎么做到的呢?

要回答这个问题,得首先看看神舟十三号载人飞船,返回地球所必须经过的几个关键步骤:

第一步是与空间站分离,随后载人飞船点火,获得返回时的动力,为穿越大气层做好准备。

第二步是宇航飞船点火后,按照已经设定好的参数,不断调整飞行姿态,以获得最佳的飞入大气层的“再入姿态角”。

第三步是在合适的时机,推进舱与返回舱脱离,载着航天员的返回舱准备进入大气层。

第四步,也是返回舱返回时最关键的一步,那就是以“半弹道式”穿越大气层,即返回舱经历进入大气层、跳离大气层和再入大气层的阶段。在这个阶段里,返回舱随着高度的降低,运行速度越来越快,而空气密度随之升高,两者之间的摩擦也越来越剧烈。此时,返回舱的外部全部被浓密的等离子体包围,从外部看,返回舱通体会变得“红彤彤”。不过,在返回舱高效的隔温、降温层以及减震装置的保护下,返回舱内部的温度被控制得很低,不会发生灼伤问题,只不过航天员需要忍受5个G左右的重力加速度。

第五步,返回舱穿越信号无法传输的“黑障区”后,继续高速坠落,当轴向过载达到相应数值时,便会自动开启反向升力装置,从而减少一部分重力加速度,最大限度保障航天员身体健康和生命安全,与此同时,还能利用反向升力控制,在一定范围内进一步调节返回舱的飞行轨迹,向着既定的降落地点飞行。

第六步,当返回舱的下降速度达到200米每秒时,基本上返回舱受到的空气摩擦阻力与重力会保持平衡,返回舱将以匀速姿态继续下降

第七步当返回舱距离地面10公里左右的时候着陆系统开始启动,随后降落伞打开,并抛去返回舱底部的隔热层,返回舱下降速度明显减小,缓缓向着地面靠近。

第八步当返回舱距离地面1米的时候返回舱底部的反向推力发动机点火,使返回舱下降速度瞬间减少到6米/秒左右,返回舱以这个速度与地面相撞,航天员平安回到地面。

上面就是航天员从天宫空间站返回时所经历的几个关键阶段,这种“半弹道式”穿越大气层的方式,目前广泛应用于各类载人航天返回舱的返回活动,是最可靠、最安全的方式

在航天员还没有返回的前N多天,地面的工作人员便已做足了准备,精确地确定了返回的时间、设计了精准的返回舱返回参数。值得一提的是,地面搜救回收地面分队早在6个月前,就已经着手开展回收任务的专项演练和训练,有力提升了在复杂的地形和环境条件下,快速定位返回舱、及时找到返回舱和妥善后续处置的能力。在返回舱返回地球的这几个小时里,专业、地方和应急搜救力量,都已经严阵以待。

之所以神舟十三号返回舱比神舟十二号返回的时间短20个小时,“节省时间”最主要的环节有两个

第一个环节是不需要开展与空间站的径向对接试验,神舟十二号载人飞船在与空间站分离后,并没有第一时间返回地球,而是还进行一项试验,即与核心舱的径向交会,飞船需要在天和核心舱周围开展若干次绕飞,然后开展径向交会试验,这个过程前后花费了大约4.5个小时,这个试验为后续神舟十三号与空间站的顺利对接,打下了坚实的基础。而神舟十三号不需要开展这项试验,这就节省了4.5个小时。

第二个环节是减少了围绕地球飞行的圈数。刚才分析了返回舱返回地面之前的主要阶段,其实在返回时,返回舱并不是直接下降的,而是在此之前需要围绕地球做环绕飞行,以期获得最佳的角度和时机,也就是前面提到的第二阶段,这个阶段是最耗费时间的。每环绕地球飞行一圈,需要耗时1.5-1.6小时,而神舟十二号围绕地球飞行了15圈左右,也就是说在“等待”环节耗费了24个小时。

而神舟十三号返回舱在返回时,地面控制中心已经提前设定了返回程序,很多工序和程序都进行了最大程度的优化、衔接和压缩,因此,神舟十三号返回舱绕飞地球的圈数大大减少,仅需要5圈左右即可锁定最佳的着陆时机,所以,整体降落的时间将在7.5-8个小时之间。

神舟十三号3名航天员6个月的空间站驻守任务,即将圆满完成,在此对他们的艰苦付出和卓越成绩表示诚挚的敬意!后续,今年我国还要马不停蹄开展神舟十四号、天舟五号、神舟十五号、问天和梦天实验舱的发射,从而全面完成天宫空间站建造任务,年底前将正式开启空间站运营,在地球的轨道上,来自我国独立自主建造和运营的大型空间站,必然再次成为全世界瞩目和向往的焦点!

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