神舟飛船返回時如果偏離預定落點,在境外著陸,怎麼辦?

資訊     2021年10月14日

茫茫宇宙,神秘莫測。邁向太空的每一步,都伴隨著險阻和犧牲。2003年,是世界航天史上的多事之秋。2月1日,美國「哥倫比亞」號太空梭在重返地面過程中爆炸解體,7名太空人全部罹難;5月4日,俄羅斯「聯盟一號」飛船返回落點偏離400多千米;8月22日,巴西在發射衛星時星箭爆炸,21名航天同行當場遇難。

前蘇聯(俄羅斯)飛船返回落點偏離預定區域怎麼辦?

我們就看看這些事故中後果最小的一個,飛船在返回時如果偏離預定落點,在境外著陸,怎麼辦?前蘇聯曾有很絕的辦法。1966年11月當第一艘無人駕駛的「聯盟號」進入地球軌道後,立即發現飛船無法實現姿態穩定,根據返回軌道預測,回收艙有可能墜落於中國境內,被迫引爆飛船上的自毀系統,將飛船在空中炸毀,損失慘重。另一次是在1967年2月,前蘇聯又倉促進行第三次無人駕駛飛船的飛行試驗。這次雖然在發射與繞地球飛行中比較順利,但飛船在返回地球過程中出現故障,回收艙偏離預定回收區,沉入鹹海10米深的海底。

神舟飛船返回時如果偏離預定落點,在境外著陸,怎麼辦?

前蘇聯解體後,2003年5月4日,俄羅斯聯盟TMA -1號飛船在返回過程中由於自動控制系統故障,飛船非正常地由可控升力式再入轉為彈道式再入,造成飛船偏離原定的著陸點近500千米,回收人員在飛船著陸後4個多小時才到達著陸區。後來分析認為飛船過載達到9g,是彈道式再入,而不是原來設計的升力可控式再入。在排除了航天員誤操作和地面測控中心誤發控制指令兩種可能性,最後確定故障原因是船上返回控制裝置偶發小機率故障導致返回模式切換。

神舟飛船返回時如果偏離預定落點,在境外著陸,怎麼辦?

怎麼樣才能在預定區域定點著陸?

飛船的定點著陸定義為飛船在完成飛行任務後在預定著陸場軟著陸時,其著陸點散布在一個比較小的範圍,即以預定著陸場中心為圓心,半徑不超過500米的圓形區域。玩過高空跳傘的朋友都清楚,即使你看準了地面預定著陸點,但是受地面風場的影響,也許一個小小的風向、風速改變,你就不能準確降落。這個範圍對於高速再入的飛船返回艙而言,難度實在是不小。

神舟飛船返回時如果偏離預定落點,在境外著陸,怎麼辦?

決定飛船返回落點精度是一個比較複雜的問題,而影響因素大概有以下幾種:

首先就是制動前的軌道是不是清楚,制動前的軌道決定著在什麼地方來制動,制動量的大小是多少,整個返回瞄準的方向是什麼樣的,這主要是依靠精密定軌軟體來完成的,也就是要首先知道在軌道上飛行的飛船當前的準確位置,速度和姿態;

第二個就是控制計算的精度,之前的精確軌道確定了,目標落點是主著陸場中心區的已知點,那麼它到底該怎麼控制,控制姿態調到什麼樣最好,然後是制動控制多長時間,中國航天專門有一套返回控制軟體來做這個事。

第三就是飛船自身GNC導航控制的精度,也就是我們返回艙上的導航控制系統,它的控制精度是不是達到設計要求。

最後一個問題就是我們對整個著陸場的氣象是不是掌握準確了,我們著陸場的風最大的時候,可以把返回艙吹偏7、8公里。這是因為為了返回艙減速,整個降落傘比較大,有1000多平方米。那麼風一大的話,整個返回艙就吹著跑了,這個影響非常大。

神舟飛船返回時如果偏離預定落點,在境外著陸,怎麼辦?

這可不是聳人聽聞,「聯盟」號飛船的飛行中還真出現了這種情況,有一次返回飛行中,控制系統出了故障,返回艙落到了距正常落點2300公里以外的地方,而且返回艙被降落傘繩掛在一個懸崖的樹上,上不著天,下不著地,又不敢亂動,可苦了航天員。掛了兩天,最後通過無線電通信設備和搜索飛機的聯繫,才找到他們,總算脫了險。從中也可以看出,通信系統的重要性。

這時就要看航天測控通信系統大顯身手了!在飛船返回艙返回過程中以及落地後,進行航天員與地面搜索及回收人員的聯繫,尤其是在故障情況下,返回落點大大偏離預定區域時,搜索人員一時無法找到返回艙,通信設備就起了決定作用,可以發出各種無線電信號,呼救信號,雙方通過語音聯繫,能幫助儘快的找到和營救航天員。

假如偏離預定著陸區域該怎麼辦?

載人太空飛行器再入階段如發生事故,除利用彈射座椅救生外,尚沒有其他成熟的救生手段。所以重點放在提高正常返回控制系統的可靠性,增加備份裝置。如「聯盟號」飛船備有備份傘,若主傘未打開,利用備份傘仍可安全著陸。此外,為了減少著陸衝擊,返回艙裝有緩衝發動機,以實現飛船的軟著陸。近年來,為解決航天的全過程救生,提出了許多方案,如傘錐、救生艇、密閉彈射座椅等,但因技術困難、載荷加重、費用昂貴等原因尚未實際應用。

神舟飛船返回時如果偏離預定落點,在境外著陸,怎麼辦?

運送著3名太空人的「聯盟TMA-03M「號飛船在哈薩克的著陸點降落

在飛船返回地面過程中,地面測控網、著陸場多種型號雷達、氣象站、通信保障等起著非常重要的指示燈作用。返回艙落點預報的精確度直接影響著航天員搜索、救援的及時性和安全性。這項指標歷來受到航天任務決策者和實施者的關注,也是衡量一個國家航天技術水平的重要標誌之一。比如「神舟六號」任務,預報的飛船落點與實際落點僅差880米。「神舟七號」任務,創造新紀錄,使我國返回式太空飛行器搜救速度和返回控制技術進入世界先進行列。「神舟八號」任務,中國載人航天工程指揮部打出100分成績。而最近的「神舟十二號」返回任務,從第一次落點預報到最後實際落點的精度,僅僅相差847米,其精度之高,超出了大家的想像。

神舟飛船返回時如果偏離預定落點,在境外著陸,怎麼辦?

那麼,當返回艙落地後,搜救人員是如何找到它呢?原來,返回艙本身攜帶了好幾種與搜救人員聯繫的通信設備。如果返回艙降落在國內的主、副著陸場,有兩種方式可以與搜救人員聯繫。其一,可通過返回艙攜帶的著陸搜尋信標機發出的無線信號,與空中救援直升機取得聯繫。直升機可在半徑為70公里的圓形區域內接收到這種信號,然後,儘快前往營救。其二,可通過返回艙攜帶的短波信標機發出的信號,和地面搜救部隊取得聯繫。地面部隊可在半徑為10公里的圓形區域內知道返回艙落在什麼地方。

如果飛船因種種原因降落在了境外,返回艙攜帶的國際救援示位標設備可發出無線脈衝信號,與國際救援衛星系統取得聯繫。國際救援衛星系統會很快對返回艙位置進行定位,並將定位情況立即通報我國有關部門。然後,再進行下一步的搜尋工作。 「神舟」號飛船的主著陸場選址在內蒙古草原上。此外,根據飛船運行和返回過程中可能發生的各種意外事件,我國還在陸地和海洋上建立了若干個應急搜救區(副著陸場),並研究解決了高海況條件下飛船返回艙搜救打撈和太空人救生的方法,形成了海上應急搜救能力。

神舟飛船返回時如果偏離預定落點,在境外著陸,怎麼辦?

中歐航天員首次海上救生訓練

2003年,是我國載人航天的首飛之年。曾有人問中國首飛航天員楊利偉:「載人航天,人命關天,難道你一點兒都不緊張、不害怕嗎?」他回答:「雖然載人航天充滿風險,但送我們上天的是最好的火箭、最好的飛船,托舉我們的是千千萬萬科技大軍,所以我們並不緊張,也沒什麼可怕的,反而是越來越自信,越來越享受這個過程。」

參考資料:

《大學生職業規劃與就業指導教程》林學軍,鄭慧娟

《遙指蒼穹 一來自北京航天飛行控制中心的報告》孫保衛

《游弋長空》高樹理

《掌控星船 從拾荒的窮孩子到衛星、飛船控制系統設計師》陳祖貴

《航空與航天》王祺

《翱翔太空 中國載人航天之路》唐國東

《創新的記錄 振邦杯2002年中國十大科技進展》黃安文 科學時報社

特此致謝。