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成功着陆!神十三降落途中竟失联了约5分钟,到底怎么回事?

2022年4月16日9时56分,神舟十三号返回舱成功着陆在位于内蒙古的东风着陆场,在太空连续生活了长达半年之久的三位航天员终于再次拥入祖国大地的怀抱,同时也意味着神舟十三号任务圆满取得成功。

而整个降落过程从4月16日零点44分就开始了,神舟十三号载人飞船与空间站核心舱正式分离,其后便经历了时长为八个多小时的环绕飞行(绕地球五圈),随后开始降落,耗时约50分钟,最终成功降落东风着陆场,并且这次还是直立着陆(上次直立还是神舟六号的时候了)。

然而要算是实质的降落过程,其实是从载人飞船三大部件的依次分离(轨道舱、推进舱、返回舱),朝地球大气层下冲开始算,也就是最后的50分钟,但这50分钟的下落过程并非一路安全,其中有大约5分钟的时间内,载着三位航天员的返回舱与地面失去了联系,这到底怎么回事?

降落过程

刚才也提到了,从天宫核心舱脱离的神舟十三号载人飞船实际上是由三个部件构成,其结构示意图如下

其中返回舱是最终要降落的地球的部件,而三位航天员自然也是一直呆在里面,在进入大气层之前,这三个部件都要依次分离,而这两次分离也代表了返回的三个阶段。

首先飞船整体会在脱离空间站后还会环绕地球飞行5圈,因而这一过程需要耗费数个小时,可能有朋友觉着这不是多此一举吗?毕竟空间站距离地球表面的高度也就400公里的样子,抛物线式的直接冲下来不就完事了吗?

事情没有那么简单,毕竟这是载人的飞船而不是进行军事打击的导弹头,因此我们必须要小心操作,毕竟航天器在轨的速度是十分接近第一宇宙速度,也就是每秒能达到七点多公里,所以飞船再入点(也就是开始进入再入轨道降落地球的空间位置)的选择是非常重要的,毕竟是要安全降落到地表指定地点的。

其次飞船降落的角度也得小心的不断的调整,以一个合适的再入角进入大气,否则就会出现两种情况,一种是角度太小,导致飞船降不下来,然后继续绕着地球飞行,还有就是角度太大,导致飞船一头扎进大气,结果可能真像导弹头落地一样迅速了,但内部航天员的安全也就可想而知了,光是下落导致的过载就可能会达到10倍重力加速度以上,这已经超出常人所能忍受的范围了(即使是对于严格训练的宇航员来说,也极其艰难)。

过载对人的影响

所以小角度进入大气层更是对航天员身体安全的角度考虑,在整个降落过程中,最大的加速度不应超过五倍重力加速度,一般在4个g左右,当然了,这样一来的话,整个降落过程的耗时也会被延长,这就有了后面的50分钟再入时间一说。

所以在飞船整体脱离空间站到轨道舱与推返组合体分离这段时间是第一阶段,其后便会进行点火制动,进入再入轨道,而推进舱随后也会分离,留下返回舱独自冲入大气层,然而先前提到的5分钟失联过程也即将来临。

危险的黑障

最后降落的50分钟流程可以看下面这张图(以俄罗斯联盟号飞船降落的流程作为示意图)

仔细观看的话,我们可以发现有一段被称为黑障区的阶段,这个阶段主要发生在距地高度80到40公里之间,之所以取名黑障,是因为在这个阶段会出现无线电通讯中断现象,说白了就是地面人员联系不到航天员,而航天员也无法联系地面人员,整个过程大概会持续约5分钟(四到六分钟之间)的时间。

而我们知道,返回舱以数十倍音速冲入大气层,肯定是需要地面人员时刻监控与通讯的,如果出现一段五分钟的通讯中断期,即便是普通大众也都知道这其中包含的危险性有多大。

但这是为什么呢?难道是返回舱内部仪器失灵,还是电磁波在传播途中被“阻隔”了?

实际上这其中的罪魁祸首就是空气,由于返回舱在大气中高速下落,由此会产生一个被称为“气动加热”的过程,导致返回舱表面附近的气体会加热到两千摄氏度以上的温度,在这样的温度下,空气会出现电离的情况(返回舱表面的防热材料也会出现电离情况),变为等离子体,而等离子体的一个特性就是会吸收或反射电磁波,如此一来这层电离的热空气就成了通讯的阻断墙。

也许有朋友会感到好奇,刚才你提到了“气动加热”,这是个啥?难道返回舱周围空气的高温不是摩擦生热导致的吗?

还真不是,摩擦生热的占比不大,主要是气动加热导致的,简单来讲,你可以这样理解,由于返回舱的速度极高,因而它前面的空气就会出现一个“拥堵”的现象,或者说返回舱会对空气做功压缩,如此一来空气的内能就会增加(其中的能量转换就是返回舱的动能转为空气的内能),而最直观的表现就是空气温度升高了。(这其中占比不大的摩擦生热主要集中在侧面,空气与舱壁的作用)

一个简单的生活实例,当我们用气筒给自行车车胎打气时,气筒壁会发热,原因就是因为对筒内气体做功压缩导致的,而不是摩擦气筒壁(或者说摩擦致热的占比不大)。

而在返回舱周围的这一圈高温电离空气,也有个形象的称呼,叫做“等离子鞘”。

正是因为这个鞘的存在,阻碍了电磁波的传播。这其中的作用过程,主要由两个因素决定,一个是等离子体频率,也就是内部自由电子的振动频率,另一个就是电磁波的频率,这二者频率之差,决定了电磁波能够通过等离子鞘的程度,比如电磁波的频率远高于等离子体频率,那么就可以轻松穿透,反之就很难了,也就是所谓的被吸收或者反射,表现为通讯中断,以及地面控制信号没法被返回舱接收等现象。

不过这也在理论上提供了突破黑障的思路,一个是提高电磁波的频率,一个是降低等离子体的频率,目前主要研究方向是降低等离子频率身上,比如改变航天器的外形、优化放热材料等等,但黑障通讯仍旧是航天领域的一个难点。

总结

神舟十三号圆满完成任务,而在接下来的8个月,还会有多次激动人心的时刻出现,两次天舟货运飞船的发射,两次神舟载人飞船的发射,两次实验舱的发射,而这也预示着我国将在今年年底完成天宫空间站的建设工作!

#神十三返回舱成功着陆#

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