神舟十二號返航驚險時刻:黑障屏蔽飛船信號,艙外溫度高達上千度

科技     2021年09月27日

神舟飛船的前段是軌道艙,中段是返回艙,後面是推進艙。首先,軌道艙和返回艙進行分離,神舟十二號飛船降到返回軌道。隨後發動機開機,飛船將從393公里高度逐步下降,在進入大氣層之前,飛船要完成推進艙分離。

神舟十二號返航驚險時刻:黑障屏蔽飛船信號,艙外溫度高達上千度

神舟十二號返回艙的外形像一個上窄下寬的「大鐘」,通過發動機的姿態調整,以大底朝前的姿態升力式返回的方式返回地球,返回艙要建立正確的再入姿態角(速度方向與當地水平面的夾角)。這個角度必須精確地控制在一定範圍內,如果角度太小,飛船將從大氣層邊緣擦過而不能返回;如果角度太大,飛船返回速度過快,就會像流星-樣在大氣層中燒毀。

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飛船返回艙進入稠密大氣層後,是返回過程中環境最為惡劣的階段。空氣密度越來越大,返回艙與空氣劇烈摩擦,使其底部溫度高達數千攝氏度,返回艙周圍被火焰所包圍,因此,對返回艙要採取特殊的防熱措施。

在距地面10公里左右的高度,返回艙將打開降落傘,並拋掉防熱大底,速度將下降至每秒3.5米左右。在距地面1米左右時啟動反推發動機,最終使返回艙實現安全著陸。

在進入大氣層後,可以說是最驚險的時刻,在進入大氣層時,由於返回艙對大氣的高速摩擦和對周圍氣體的壓縮,使速度急劇下降,同時巨大的動能轉換成熱能。這些熱能除輻射掉一部分之外,其中的一部分將使返回艙表面溫度上升到2000多度,返回艙外壁會被熊熊烈火包圍,使整個飛船像火球一樣划過天空。

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這也是飛船返回艙返回最大技術難點之一,就是飛船的降溫,必須給飛船穿上一件「隔熱 衣」。不然整個返回艙將會像隕石一樣被燒為灰燼。

飛船返回艙的降溫主要通過三種方法:一是吸熱式防熱,在返回艙的某些部位,採用導熱性能好、熔點高和熱容量大的金屬吸熱材料來吸收大量的氣動熱量;二是輻射式防熱,用具有輻射性能的鈦合金及陶瓷等復合材料,將熱量輻射散發出去;三是燒蝕防熱,利用高分子材料在高溫加熱時表面部分材料融化、蒸發、升華或分解汽化帶走大量熱量的方法散熱。

神州十二號返回艙則採用的是燒蝕防熱的方式,在返回艙外部特別是溫度最高的底部包覆了一層稱為「燒蝕材料」的厚厚防熱層。這種材料引火燒身,能夠通過燃燒自己,耗散大量的熱能,從而保護飛船。飛船返回艙著陸後看起來像個燒黑的大鐵鍋,這就是燒蝕防熱形成的結果。因此燒蝕材料,要求汽化熱大,熱容量大,絕熱性好,向外界輻射熱量的本領強。中國科學家通過對數十種燒蝕材料的反覆篩選和試驗,最終為神舟飛船選擇了一種先進的低密度燒蝕材料。這種材料不但能耐受幾千度的高溫,而且密度小於1克/厘米3,質量非常輕。

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除此之外,在降落過程中,由於氣動加熱,貼近返回艙表面的氣體分子被分解和電離,形成一個等離子層。由於等離子體具有吸收和反射電磁波的能力,因此包裹返回艙的等離子體層,實際是一個等離子電磁波屏蔽層。所以當返回艙進入被等離子體包裹狀態時,艙外的無線電信號進不到艙內,艙內的無線電信號也傳不到艙外,一時間,艙內外失去了聯繫,這就是黑障現象。

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在這個過程中,地面無法通過任何遙控方式對飛船進行控制,依靠飛行器對狀態進行全自動處理。

黑障的範圍取決於再入體的外形、材料、再入速度,以及發射信號的頻率和功率等。黑障給載人飛船再入返回時的實時通信和再入測量造成困難,目前尚無很好的解決辦法。

而最後一道難關就是降落了,儘管艙體距離地面10公里左右時,飛船的速度已經降到每秒330米以下,這時返回艙上的靜壓高度控制器通過測量大氣壓力自動判定所處高度並開傘減速,將返回艙速度逐步降到每秒7米左右。返回艙仍具有很高的速度和較大的動能,這種速度下產生的「硬碰硬」撞擊,極有可能會對航天員的脊柱造成損傷。

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為此,返回艙會在距離地面1米時懸空急停,安裝在返回艙底部的4台著陸反推發動機自動點火,並以極強的緩衝力助其實施「軟著陸」。雖然反推發動機個頭不大,但點火時能產生3噸向上的推力。返回艙著陸時,4隻共產生12噸向上的推力,抵消了大部分返回艙的動能,從而達到減速目的。

同時通過返回艙底部的由吸能外殼、減振材料和座椅緩衝機構組成的減振系統進一步吸收能量,從而保證航天員絕對安全著陸。

為了保證航天員和返回艙內設備的安全,4台著陸反推發動機必須在10毫秒內同時點火。除此之外,作為神舟飛船上最後工作的發動機,著陸反推發動機在點火前,還要經歷發射震動、太空高低溫環境、長時間真空條件等多種考驗,為了保證發動機的自身素質,需要研製團隊對其進行反覆的試驗和模擬驗證。

神舟十二號返航驚險時刻:黑障屏蔽飛船信號,艙外溫度高達上千度

可以說,神舟十二號的返回之路充滿驚險,它能夠表現如何完美,離不開幕後團隊的保駕護航,最後,也讓我們向所有航天工作者致敬。