航天专家解读神舟十二号航天员“回家路”:航天员返程谈笑风生很轻松
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北京时间2021年9月17日13时34分,神舟十二号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆,执行飞行任务的航天员聂海胜、刘伯明、汤洪波安全顺利出舱,身体状态良好,空间站阶段首次载人飞行任务取得圆满成功。此次是东风着陆场首次执行载人飞船搜索回收任务。航天员返回地球过程会经历哪些考验?昨天,知名航天专家、《航空知识》主编王亚男对航天员返回过程进行了解读。他表示,神舟飞船经过这么多年的技术打磨,如今越来越成熟。“整个返回过程非常完美,航天员非常轻松,航天员在返回途中谈笑风生,十分轻松。这在过去都是看不到的,显示出我们航天员的自信。”王亚男说。



第一步:航天员脱离空间站登“船”

12时43分,北京航天飞行控制中心通过地面测控站发出返回指令,神舟十二号载人飞船轨道舱与返回舱成功分离。王亚男说,神舟十二号在返回地球之前,首先要进行飞船与空间站机械结构的脱离,航天员在完成所有的工作后会转移到神舟十二号的轨道舱。分离之前,要让空间站由有人值守模式切换到自动值守模式,然后关闭所有舱门。这段时间,神舟十二号还需要绕地球飞行十多圈。因为这段时间,航天员还有很多事要做。神舟十二号飞船与空间站天和核心舱分离之后,并不是直接返回地球,而是先要承担一项特殊的任务,就是要从空间站组合体的前向绕飞到核心舱下方,也就是径向,之后从下往上与核心舱进行首次“径向交会”试验。在完成“径向交会”试验之后,神舟十二号将撤离到距离核心舱下方200米的位置,之后将再次绕飞到核心舱前向,完成返回前的最后一项任务。


这时,航天员已经在舱门里了。完成这个步骤之后,空间站和飞船的锁定机构会打开。这时,还要利用一个反冲机构让空间站和飞船拉开一段距离,不至于让空间站影响飞船的返回操作。实际上,在9月16日上午,神舟十二号载人飞船与空间站天和核心舱成功实施分离。分离前,航天员关闭了连接天和核心舱与神舟十二号的双向承压舱门。

第二步:轨返分离

脱离之后会随着反冲机构的使用,两者的越拉距离越大。只有两者的距离足够大,在飞船减速向地面靠近时才不至于受到空间站的影响。航天员这段时间要搬家,要把轨道舱里需要带回地面的设备要搬回返回舱里,把一些不需要带回地球的东西,可以在大气中烧毁的东西,搬到轨道舱里。因为轨道舱要在大气中烧毁。完成这些工作后,航天员要关闭轨道舱和返回舱的舱门。所以说,航天员真正意义上的回家之旅的开始是轨返分离。

这时,神舟十二号飞船首先逆时针旋转90度,变成横向飞行,然后,返回舱和轨道舱之间的解锁机构脱离,轨返分离后,轨道舱就会进入大气层烧毁。轨返分离之后,返回舱、推进舱两舱组合体通过制动减速降低飞行速度,逐渐被地球引力牵引脱离原有飞行轨道,进入自由滑行阶段。这时,返回舱、推进舱组合体继续逆时针旋转90度,形成一个头后尾前的姿态。神舟飞船的前段是轨道舱,中段是返回舱,后面是推进舱。在降轨之前,轨道舱和返回舱将首先进行分离。这时,飞船返回制动发动机点火,就相当于猛踩刹车,返回舱和推进舱的速度会快速衰减,以抛物弹道的形式向地面靠近。随着返回制动发动机开机,飞船将从393公里高度逐步下降,在进入大气层之前,飞船要完成推进舱分离。

这时,飞船飞行的速度在每秒钟7.5公里左右,高速下降产生的过载会让航天员的肌肉产生变形,这是航天员身体最难受的一个阶段。这个过载有时会达到4个G左右,这就相当于有4个航天员体重的人坐在身上,航天员必须调整到最舒适的姿态,对抗这种过载。相比上天时承受的过载,返回过程中由于技术动作更多,航天员身体也更难受。

第三步:推返分离

大约在145公里的地方,返回舱和推进舱会分离。因为减速过程已经过程,这时已经不需要推进舱了。这时,返回舱的速度还在7公里/秒以上。

飞船在大概下降到145公里时,推进舱和返回舱分开,返回舱在距离地面145公里的地方就会进入单舱阶段,这时就要调配平攻角,把飞船调整成一个再入的姿态,在100公里的地方就会进入大气层。

配平攻角非常关键,直接决定着航天员返回是否成功,从这时起,飞船返回就进入了不可逆状态。“你从大气层上往地球上抛一个东西,不考虑地面干扰因素,它一定会落在一个固定的点位上。但飞船在大气中滑行,大气扰动怎么解决,就要靠飞船姿态控制来解决。飞船进入大气层的姿态很关键,一般是以1.5-1.7度的角度来再入,如果出手角度太大,相当于飞船会猛冲入大气层,可能就把飞船烧掉了,角度太小,就进不了大气层,就像流星弹出去了。所以,配平攻角很关键,它能保重飞船的安全。”

第四步:穿越“黑障区”

飞船返回舱进入大气层后是返回过程中环境最为恶劣的阶段。飞船在穿越稠密的大气层时,会产生巨大的摩擦力,这种摩擦力让返回舱外部产生上千度的高温。此刻航天员坐在返回舱内部,从两边的舷窗向外看去,窗外一片通红,感觉舷窗被烧着了一样。整个飞船看起来就像一个燃烧着的火球。飞船返回舱外表涂着灰色的特殊材料,它们可以耐住这上千度的高温,通过慢慢燃烧掉自己给飞船降温,所以,航天员在舱内并不会感受到温度的变化,所以,在这次航天员返回过程中,航天员聂海胜几次说“真金不怕火炼”。

神舟十二号大约下降到约80公里的高度时,就会进入黑障区。由于和大气层的高速剧烈摩擦,在返回舱表面会产生等离子体,这些等离子体会屏蔽掉所有电子信号,出现黑障现象。这时,返回舱与地面暂时失去联系,不管是声音、图像、还是遥测信息,全部中断,航天员与地面人员也会失去联系。这一段“最难熬的时光”大概要持续4-6分钟,一直要到返回舱距离地球约40公里高的地方,黑障才会消失。

第五步:打开降落伞准备落地

王亚男表示,在距地面10公里左右的高度,返回舱将打开降落伞,并抛掉防热大底,在开伞之前的速度会降低到200米/秒。返回舱上的静压高度控制器通过测量大气压力判定高度,自动打开伞舱盖,首先带出引导伞,引导伞再拉出减速伞。引导伞和减速伞之后后是牵顶伞。这时速度大概8米/秒,然后速度将下降至每秒3.5米左右。“打开降落伞的瞬间,航天员是非常难受的,因为开伞瞬间,航天员要承受很大的正向过载,1200平方米的伞,突然被撑开,航天员被冲击的力度是很大的,肯定很难受。”在距地面1米左右时启动反推发动机,最终使返回舱实现安全着陆。

在距离地面40公里左右的高度时,神舟十二号已经基本脱离“黑障区”,当它继续减速直到距离地面10公里左右时,返回舱上的静压高度控制器通过测量大气压力来判断所处高度,并先后打开引导伞、减速伞和主伞,以此保证返回舱以较为柔和的方式实现多次减速,防止航天员一次受到过大的冲击力。当飞船即将着陆的瞬间,安装在返回舱底部的反推发动机进行反向点火,保证返回舱在最后减速至2米每秒以下。与此同时,具有缓冲功能的航天员座椅在着陆前开始自动提升,从而使冲击的能量被缓冲吸收。中国航天科技集团五院神舟十二号载人飞船总体飞控负责人杨海峰将这个瞬间描述为“惊心动魄的关键时刻”。

第六步:航天员重力再适应

王亚男告诉记者,航天员到达地面后还需要进行重力再适应,即便具备自主出舱能力,也不能立即出舱。长期因为轨微重力对于骨骼和肌肉没有刺激,航天员的肌肉因此会萎缩,骨骼也会骨量减少或钙丢失,尽管航天员在太空中每天都有训练,也难保他们不出现这些问题。因此,医监医保首先会对他们进行身体检查。一般还会给他们补充一些生理盐水,增强他们的立位耐力,也就是站立姿态下的耐受力。“因为航天员在太空没有动力来源,容易出现骨丢失或钙流失,平时,航天员在地面上会通过地面采用离心机训练,给他们加不同的G值,来增加他们的耐受力。”

王亚男表示,跟过去相比,因为返回舱这次是倾倒的,所以航天员无法自主出舱,并且,由于舱内空间狭窄,不便于各种操作,这次神舟十二号航天员的重力再适应主要是在舱外进行的。他说,因为中国的神舟飞船内部设计比较成熟,航天员一般不会出现异常。杨利伟第一次出舱时因为到达地面后冲击力过大,嘴唇流血了,所以要在舱内给他做一个止血处理,经过改进后,如今飞船不会出现这样的情况,所以航天员出来的速度会很快。因为返回舱内很局促,只能在里面坐着,还不如在舱外搭一个操作台,搬一把椅子,让航天员坐着更舒服。航天员回到地面后,会先进行一个星期左右的隔离,对身体进行疗养,然后,专业团队会对他们的身体状况进行评估。

文/广州日报·新花城记者:肖欢欢 

图/广州日报·新花城记者:肖欢欢

视频/广州日报·新花城记者:肖欢欢

广州日报·新花城编辑:蔡凌跃