神舟二十號航天員乘組的返航應該是今年大家最關注的一個事情了。雖然此前我國已經執行了近十次載人航天飛行任務,但是神舟二十號航天員乘組的情況確實是很特殊,也很例外,在我國還是屬於首次。
按照最初的計劃,神舟二十號航天員乘組計劃在11月5日返回地球,在東風着陸場着陸的,但是飛船疑似遭到了空間微小顆粒的撞擊,飛船返回艙舷窗的玻璃有細微的裂紋。最終這艘飛行任務返航時間推遲到11月14日進行,而且航天員沒有乘坐神舟二十號飛船返航,而是改坐神舟二十一號飛船返航,從發射升空到返回地球,神舟二十號航天員乘組在軌駐留204 天,刷新了中國紀錄。
如果是飛船的推進艙、軌道艙或者太陽翼遭到空間微小顆粒撞擊的話,可能問題不是很大,飛船可能還能滿足返航的要求,因為在重返地球的過程中,軌道艙、推進艙都會分離丟到大氣中燒毀,不需要回到地面,但是疑似遭到撞擊的位置就在飛船返回艙的舷窗那裡,飛船返回艙需要安全返航,把航天員送回地面,所以飛船返回艙是不能有任何破損的情況的。
畢竟飛船從外太空飛行到返回地球的過程中,速度是極快的,超過7公里每秒,飛船返回艙以這麼快的速度進入地球大氣層,氣動加熱效應會非常強烈,導致外部溫度飆升到1000多℃。在這麼高溫的灼燒下,飛船返回艙舷窗有裂紋的情況,那就會比較危險了。
所以出於安全的考慮,最終就安排神舟二十號航天員乘組換乘神舟二十一號飛船返航。事實上,這樣的決定是非常正確的,也是非常必要的。我們看下神舟二十一號飛船返航時的畫面就知道了。
飛船返航的過程
對神舟二十一號飛船了解的網友會覺得神舟二十一號飛船真的很強,比之前的那些神舟載人飛船都要強。為什麼這麼說?
之前的幾艘神舟載人飛船從發射升空到和中國空間站完成交會對接,大約需要6.5小時,而神舟二十一號飛船隻需要3個半小時,縮短了3個小時,相當於少飛行2圈。同樣的,其他的飛船結束飛行任務返回地球都是採用5圈的快速返回方案,而神舟二十一號飛船返航採用了3圈的快速返航方案,返航時間比之前的那些飛船也縮短了3小時。這是我國神舟載人飛船第一次實施3圈自主快速返回,標誌着我國載人飛船再入返回技術又取得了新的突破,系統可靠性達到新高度。
飛船返回地球的過程是極其複雜的,涉及到2個大的方面,一個就是離軌控制,也就是通過制動減速的方式降低飛船的速度,從而降低飛行高度,讓飛船脫離地球軌道,啟動返回程序;另一個就是再入段的控制,主要是飛船在進入大氣層後的升力控制。
從神舟十二號飛船到神舟十九號飛船,這些飛船重返地球的時候都是採用5圈的快速返回地球的方案,神舟二十一號飛船在優化返回策略和措施的情況下,實現了3圈自主快速返回。
這艘飛船能夠從5圈調整為3圈,最大的改變就是離軌控制制動參數由地面計算改為船上計算機自主更新計算,在自主計算的控制參數“驅動”下,飛船實現高精度返回地球,比之前的返航時間縮短了3個多小時。
在完成環繞地球飛行後,飛船就會進入返回程序了,也就是進入地球大氣層。這個過程耗時比較短,大約是50分鐘。飛船需要在短短的50分鐘內,將接近地球第一宇宙速度7.9公里每秒的飛行速度降低到安全的水平,那這個過程肯定就需要完成能量的轉化。
在進入大氣層後,氣動加熱效應會非常強烈,導致飛船外部溫度飆升到1000多℃。在這麼高溫的灼燒下,飛船返回艙就像被熊熊大火包圍着,外部也就被燒得黑不溜秋了。
穿過了高溫灼燒的階段後,飛船溫度會恢復到正常水平,燃燒的現象就會消失。在距離地面大約還有10公里的時候,飛船返回艙還要開始進行傘降,不然的話飛船是沒法安全着陸的。畢竟這時候飛船的下降速度還是相當快的,差不多達到200米每秒,單單依靠飛船的氣動減速已經沒法降低下降速度了,只能通過傘降或者反推發動機來完成最後的減速。
飛船返回艙空間不大,安裝不了太大功率的發動機,也沒多大的空間裝載大量推進劑,所以在10公里到着陸的這個階段通過發動機來完成最後的減速顯然是不現實的。傘降就不一樣了,巨大的降落傘收納起來不會佔用很大的空間,而且也不會很複雜,所以現在的載人飛船返回艙、探測器返回器都是使用傘降進行減速。神舟載人飛船的降落傘面積高達1200平方米,巨大的降落傘能讓飛船下降速度降低到7米每秒左右。
打開降落傘後,飛船速度會越來越慢,距離地面也會越來越近,這時候飛船還會進行一系列的操作,其中一個就是拋掉飛船底部的防熱大底,將底部的反推發動機裸露出來,另一個操作就是“冒煙”,也就是將飛船返回艙上多餘的推進劑排掉。這就是為什麼飛船在傘降的過程中突然冒煙的原因。
神舟二十二號即將發射
神舟二十一號飛船才發射升空大概半個月時間就返航了,而當前仍在中國空間站執行飛行任務的是神舟二十號飛船。接下來我國就要發射神舟二十二號飛船了,神舟二十二號飛行任務已經啟動,擇機發射升空,估計就是在等待飛船的發射時間窗口。
神舟二十一號飛船採用了更快的3.5小時快速交會對接的方案,估計神舟二十二號飛船也會採用這麼快的方案,當然不排除可能會繼續使用之前的6.5小時的快速交會對接的方案。對於神舟二十二號飛船來說,飛行慢一點其實問題不大,因為這一艘飛船不會搭乘航天員,而是充當“貨運飛船”的作用,裝滿貨物去中國空間站。
雖然神舟二十二號飛船沒有搭乘航天員,看起來好像“浪費”一艘飛船,但實際上並沒有什麼大的損失。因為神舟二十二號飛船裝滿貨物去中國空間站,那就意味着後續的天舟貨運飛船的補給計劃也會進行相應的調整,可以延期幾個月發射。
雖然神舟二十一號飛船提前返航、神舟二十二號飛船要提前發射,但是對我們的載人航天事業不會有什麼影響的,在明年我們還是會正常實施2次神舟載人飛船的發射任務,我們的空間站運行不會因為這一個小插曲而出現航天員空缺的情況。