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神舟十三号返回预测为何如此精确(需要精密计算开伞后高空风对返回舱运动的影响)

作者:guanjiao日期:2022-04-24 16:08:31浏览

摘要神舟十三号实际落点和预报落点何以仅差130米?中国空间站等你来出差航天思政课上,北京航天飞行控制中心空间站任务副总师李大琪介绍:飞船返回主要靠制动,制动控制量需要精确计算,计算时要充分考虑开伞以后高空风对返回舱运动的影响,制动后要根据测量数据,择机对预报落点进行修订,从而逐渐逼近最终落点。

神舟十三号实际落点和预报落点何以仅差130米?中国空间站等你来出差航天思政课上,北京航天飞行控制中心空间站任务副总师李大琪介绍:飞船返回主要靠制动,制动控制量需要精确计算,计算时要充分考虑开伞以后高空风对返回舱运动的影响,制动后要根据测量数据,择机对预报落点进行修订,从而逐渐逼近最终落点。

神舟13号飞船回家,由翟志刚、王亚平、叶光富组成的“太空出差3人组”,在我国空间站工作了183天,刷新了单次飞行任务太空驻留时间的纪录。

神舟13号需在1米高度精准反推着陆,如何做到的?美国为何不用?

太空出差三人组

神舟13号与空间站组合体脱离,再入大气层后,会在东风着陆场着陆。相信大家能注意到:每一艘神舟飞船在落地前的一刹那,都会冒出一道火光,不了解情况的观众可能会误以为发生了爆炸,其实那不是爆炸,而是着陆反推发动机启动了。

神舟13号需在1米高度精准反推着陆,如何做到的?美国为何不用?

 

反推发动机启动是整个着陆过程的一个关键步骤。神舟13号飞船的返回舱经过空气制动、降落伞减速后,在最后接触地面的一瞬间,底部安装的反推发动机会启动,完成最后的减速刹车,将飞船稳稳地落在地上。而反推发动机需要在距离地面约1米高的地方点火,不能早也不能晚,必须要非常精准,这是为什么呢?

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反推发动机启动时机要非常精准

在解答这个问题之前,有必要先说说神舟13号的主降落伞。这个降落伞非常引人注目,是世界上最大的降落伞,面积达到了1200平方米,重量却只有90多公斤。如果巨大的降落伞的减速效果当然会非常好,可将飞船的下降速度降低到8~10米/秒,或者说28.8~36公里/小时,但是却不能进一步减速了。

这是因为如果再增加降落伞面积的话,不仅重量和体积会增加,还会加剧气流对飞船着陆过程的影响,直白一点儿说就是会被风刮跑,使得飞船偏离预定着陆点,降低着陆精度,提高了搜救的难度。

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所以说降落伞不能无限制地增大,不过假如飞船以二三十公里的速度直接落地的话,也是不可接受的,这相当于骑着一辆电动摩托车去撞墙。由于航天员是背部朝下面朝天坐在返回舱里,如此高的着陆速度有可能损伤航天员的颈椎,因此必须进一步减速。

这时候就轮到反推发动机登场了!飞船装有4台反推发动机,这些发动机使用固体燃料,非常小巧,但力气并不小,每台可以产生大约3吨的推力。4台发动机一起工作,总推力达到了10多吨,足以在一刹那将下降速度降低到2米/秒,也就是人走路的速度,再加上返回舱座椅的缓冲效果,就能保证航天员的安全了。

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飞船内的航天员(神舟12)

然而这些反推发动机推力虽大,却是一锤子买卖,启动之后一下子就烧完了!这就对发动机启动时机提出了极高的要求。如果启动过早,飞船还处在半空中比较高的位置,在发动机关闭之后又会在重力作用下加速下落,造成着陆速度过大。

而如果启动迟了一点儿,飞船还没来得及减速就会撞地,同样不能将速度控制在安全范围之内。那么何时启动反推才最合适呢?必须在飞船距地面1米左右的高度,高了低了都不行,精度要达到厘米级!这时就会出现一个难题:如果才能判断返回舱的离地高度呢?

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如何判断离地高度是个难题

有网友可能会说:这还不简单?中学物理就学过海拔高度和大气压之间有关联,高度越高,大气压越低。通过测量当前的气压值,不就能测出高度了吗?这个说法不能说有错,例如飞机上就装有气压高度计,但主要问题是精度太低了,两个高度差只有1米的位置,大气压几乎是相同的,根本测不出差别,无法达到控制点火的要求。

况且着陆场的地形并不是完全平坦,不可能预先知道着陆点的准确海拔,因此气压测高法完全不适用于这个场合。不过我们还可以考虑另一种方法:无线电测高。一般飞机在高度2500英尺(762米)以下时,会使用无线电高度计。这个装置的原理跟雷达差不多。

无线电高度计向地面发出无线电波,并接收反射回波。由于光速太快,无法直接通过往返时间来算出高度。因此通常采用调频的方式,让电波的频率按一定规律随时间变化,这样接收到的回波频率就会出现一个差值,据此就能计算出距地面的高度。

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飞机会使用无线电高度计

无线电高度计的测量精度高于气压高度计,可用于飞机的起降过程,但对于神舟飞船着陆的要求,即在1米高度上还能实现厘米级的精确测量,依然是力所不能及。除了无线电高度计之外,还有一种激光高度计,由于激光的频率远高于无线电波,它的测距精度会大大提高。

我国的嫦娥四号就安装了激光测距敏感器,从距月面30公里到15米的高度上,可以达到6厘米的测距精度,相当了不起。但是当高度进一步降低之后,激光高度计的误差也会增大,在1米高度上的测距能力也不能满足反推发动机点火所需。

这可怎么办呢?别急,我们的“终极神器”终于可以出场了,它就是γ射线高度计。这种装置会向地面发射γ光子,并接收散射回的光子。γ光子的频率远远高于激光和无线电波,以至于更像是一个粒子。

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γ射线高度计原理

当这些γ光子到达地面后会产生散射,飞向四面八方。飞船高度较高时,只有很小一部分散射回来的γ光子会被γ射线高度计接收到,但是当高度降低到1米左右的近距离时,奇迹发生了:散射回来的γ光子数量会急剧增长,而且对高度非常敏感。通过测量接收到的光子数量,就可推算出当前的高度值,精确度极高。

以俄罗斯的联盟TMA载人飞船为例,它同样采用反堆着陆方式,所搭载的γ射线高度计在0.6~0.9米高度上,测距精度可达4厘米,而且测量的反应速度极快。其它测量方式目前还很难达到比γ射线高度计更高的水平。

我国神舟飞船使用的γ射线高度计是自行研制的,在历次载人飞行以及嫦娥探月任务中,都经受住了考验,表现十分优秀,其性能应不会弱于俄罗斯产品。正是在这样的“神器”支持下,神舟13号才有能力在即将落地的一刹那准确发出点火信号,并在20毫秒内启动反推发动机,在一闪而过的火光和烟雾之后,稳稳地降落在地面上。

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γ射线高度计位于返回舱底部,着陆后会被盖住(神舟12)

说到这里,有心的网友会发现:既然要发出γ射线,返回舱上岂不是有放射源?答对了!确实有放射源,但它带有屏蔽装置,不会对舱内的航天员构成伤害。而在返回舱着陆后,地面人员会赶紧用特制的屏蔽盖将底部的高度计盖住。航天员出舱后,放射源会被取出来放到专用容器内储存。

现在您应该了解神舟飞船的反推着陆过程了吧?不过这里还有个疑问:中俄的载人飞船着陆方式差不太多,最后都是反推着陆,为什么另一个航天大国美国,却并没有采用这种着陆方式呢?

美国载人航天的着陆方式确实与中俄有巨大的差别。它的航天飞机是像飞机一样水平滑翔着陆的,可以降落在跑道上。不过航天飞机已成往事,美国现在又重拾起载人飞船的路线,目前使用SpaceX公司的龙飞船来运送宇航员往返国际空间站。

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载人龙飞船在海上降落

不过不论是当年的水星、双子星、阿波罗飞船,还是现在的载人龙飞船,美国人的飞船在返回地球时都采用了同一种着陆方式:在海面上溅落。海水可以为飞船提供足够的缓冲,也就不再需要反推发动机了,节省了体积和重量。而且地球表面有70%以上是海洋,选择着陆场也比较方便,对着陆精度的要求也比较低。

那么问题来了:为什么中国和俄罗斯不采用海面溅落的方式呢?美国飞船在海面上降落,是因为它有着极为强大的海上实力。其军事基地遍布全球,拥有十余艘航空母舰,还有多艘两栖攻击舰,具备在全球范围内的海上搜索和救援能力。

但中国和俄罗斯就不同了,在海洋上的实力起码目前与美国的差距还比较大,无法有效控制海洋。用海面溅落的方式还需要出动庞大的舰队,成本高昂,而且一旦有其它势力前来骚扰,还存在一定风险。

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俄罗斯飞船在草原上着陆

因此,俄罗斯选择在平坦的草原上着陆,例如哈萨克斯坦境内的大草原,而我国神舟11号及以前的飞船是在内蒙古四子王旗的着陆场,神舟12和13号则是在东风着陆场。

不过,神舟飞船这种“降落伞+反推发动机”的着陆方式,并不一定是最优选择。虽然反推发动机的体积和重量代价都比较小,但在着陆时却有可能损坏返回舱,导致飞船无法重复使用。航天器可重复使用是如今的潮流,可大幅降低成本,这个缺点是急需克服的。

SpaceX的龙飞船曾经想过用“反推火箭+着陆腿”的方式,类似于猎鹰9火箭回收,但NASA觉得风险太大,又改回了海上溅落。但海水的冲击力较小,溅落后的飞船在重复使用方面倒是也问题不大。但如果着陆场必须位于陆地上的话,怎样才能实现返回舱的可重复使用呢?

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新一代载人飞船采用群伞+气囊缓冲

我国的新一代载人飞船就选择了“多个降落伞+缓冲气囊”的方案,在离地面较近时给气囊充气,通过柔软的气囊实现落地缓冲,同样可以减小对返回舱的损坏,实现返回舱的重复利用。这种方式占用的空间较大,适合于新一代载人飞船这种比较大的飞船。

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新一代载人飞船的缓冲气囊

那么当神舟飞船退役,新一代载人飞船挑起大梁之后,γ射线高度计会不会失去用武之地呢?那倒不会,当我们探测火星、月球以及太阳系其它星球时,γ射线高度计这种极低高度测距设备还将继续大显身手。

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