驚心動魄的「黑障」:神舟十二號返回時短暫失聯,如何保駕護航?

科技     2021年10月19日

三位「出差」太空的中國航天員勝利回歸了!

但人類踏出地球「領地」,如今想要平安回家,需要經過的考驗可不輕巧。神舟十二號的返回須突破重重困難:高速、高熱,甚至信號被「黑障」阻斷,通訊失聯……最終航天員才能從黑暗、失重和寂靜的太空返回地球家園,腳踏實地落到我國土地上。返回艙回來時究竟要經歷什麼?又是什麼為他們「保駕護航」?

驚心動魄的「黑障」:神舟十二號返回時短暫失聯,如何保駕護航?

「黑障」:通訊中斷

最初,航天員乘坐的返回艙與推進艙分離,返回艙會逐漸調整角度,切入返回軌道,專業詞叫「調整配平攻角」。之後,返回艙進入大氣層,內部的航天員開始承受巨大的、超出體重好多倍「過載」壓迫,與此同時「黑障」也就開始了。

驚心動魄的「黑障」:神舟十二號返回時短暫失聯,如何保駕護航?

首先,我們先解釋一下黑障是什麼。水滴落在水面上會出現漣漪,這就是高速物體在密度不同的介質中運動時,產生的衝擊波的作用,「黑障」的形成也是同理。

我們試著將飛船的返回艙看成水滴,大氣層看成水面,當返回艙「歸家」,進入稠密的大氣時,產生的情形就與之類似。只不過因為太空飛行器的速度要比水滴快上許多,產生的衝擊波自然也無比強烈,加上高溫的作用,大氣和返回艙表面的隔熱材料發生電離,共同作用形成了一個「等離子套」,也就是隔絕通信的「黑障」。

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黑障區

隔絕通信聽起來很輕巧,其實危險程度遠超我們想像。地面技術部在黑障的4~6分鐘期間完全失去對飛船的遙控能力,一切只能取決於航天員的自主能動能力,值得一提的是,飛船的關鍵操縱事件十分密集,而且是不可逆的——這句話的意思是飛船控制人員的每一個動作只有著極短暫的反應時間,且立刻就要進行下一個動作。

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精密的航天學科不容錯漏,高速的太空飛行器哪怕偏離了預定軌跡僅是幾分鐘,落地誤差就可能達到幾十甚至幾百公里,我國太空飛行器落到別的國家地界會出現政治問題,但最可怕的是這些誤差可能導致飛船撞在山上機毀人亡,這種可能性並不小,高層大氣劇烈變化(如颳起大風)時極有可能影響太空飛行器的軌跡。而因為等離子套的存在,雷達無法精準地鎖定墜落軌跡,搜救也變得困難起來,因超高音速壓力而昏厥的航天員可能會喪失生命。

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黑障雖然理論上有解決方案,如更改通信系統的部署位置讓信號能夠穿透等離子套較薄的地方、改變太空飛行器表層材質,減少電離程度等等,但現階段無法完全避免,畢竟每一項都會讓太空飛行器的結構大幅改變,都不是小工程。

但黑障雖然難以避免,我們國家卻可以用電掃雷達和其他的方式確定太空飛行器的返回軌跡,那段時間內雖然航天員和地面無法互相聯繫,但他們卻仍然被守望著,地球的「根」從未斬斷過。

「浴火」:高溫燒蝕返回艙

黑障期間,內部「失聯」,而返回艙外部也同樣飽經高溫的考驗。

返回艙高度下降至100公里左右時進入「再入」階段,大氣密度持續增大,為返回艙提供減速的同時,艙體表面與大氣層摩擦還產生了恐怖的高溫,達到2000攝氏度以上,在紅外光學跟蹤成像顯示中,返回艙如同一顆壯觀的「白晝流星」。

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雖然如此,但返回艙內的溫度卻能維持在30攝氏度左右,內部的航天員幾乎感覺不到溫度的變化。這是由於返回艙在設計時就穿上了「防熱衣」。這層隔熱材料在高溫中融化、升華,氣體會帶走大量的熱量,經過大約560秒的燒蝕防熱,使得內表面艙的溫度維持在較低的水平。

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這種防火材料經過了嚴格精密的研究和試驗,最終確定為了蜂窩狀。

航天科技集團醫院、航天材料及工藝研究所的高級工程師鄧火英說明:「蜂窩骨架就相當於人身體的骨骼,能夠對人的肌肉組織進行增強,同時還起到了降低應力的作用。」

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這種結構已經經歷過了十幾次的「實戰」,每次返回艙落地之後,科研人員還會到現場取下材料進行取樣研究,不斷改良,為這次神十二返回的成功打下了堅實的基礎。

降落:多次緩衝

返回艙降落到距離地面40公里左右高度時,黑障結束,飛船已經大幅減速,當到約10公里高度的地方,引導傘、減速傘、主傘三種著陸傘依次打開,為返回艙提供多次的緩衝。

一、引導傘

引導傘同時也是個頭最小的傘,它起到的作用是承受最大的力量,同時把減速傘從傘艙里扯出來。

二、減速傘

減速傘起到的作用就是減速,讓返回艙從200m/s減速到90m/s左右,確保最大的主傘可以平安打開。

三、主傘

主傘是最大的傘,學名叫環帆傘,重量接近100公斤,面積可以達到1200平方米,是我國目前所有太空飛行器里最大的一個降落傘。主傘的一環有96片,十多個人花了三個月才製作完成。它把減速傘90m/s的速度降到了8m/s,可以說是降落傘中最大的「法寶」。

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央視動畫演示返回艙降落減速

返回艙繼續低速接近地面的過程中,伴隨著 「拋防熱大底!」、「返回艙垂掛!」、「反推發動機!」的指揮聲,在距離地表只有1米左右時,下部的反推發動機猝然點火,地面塵霧升騰,在多重緩衝下速度成功降到2m/s以下的返回艙平穩著陸,航天員迅速切斷傘繩,以防風把返回艙帶走。

地面上的人們都急著迎接從太空凱旋的英雄,然而他們還有很多嚴格的工作流程,一直到85分鐘之後,三位航天員才依次露面,由工作人員「抬」出返回艙,接受下一步的檢查和隔離。

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傷痛與意志

其實,航天員的凱旋雖然光鮮,但往往伴隨著一定程度的傷痛。

首先是飛船穿越大氣層時嚴重的「過載」,航天員必須承受自身重量十幾倍的音速壓力,期間可能會出現窒息、視力暫時喪失等症狀;除此以外,太空的重力環境比起地球極為輕微,在「身體的負擔」在太空中盡數卸下,在太空中的三個月當中航天員的骨骼和肌肉會出現萎縮現象;這種環境下,體液和血液的循環系統也會受到影響,回到地球時血液如同「倒流」,造成嚴重的暈厥感。

但三位航天員平安歸來後,紛紛表示身體狀態良好,這些除了神舟十二號周全的保護措施,也是他們堅韌意志的最佳體現。

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向偉大的航天員和背後默默奉獻的所有人致敬!