《军武次位面》作者:大伊万
4月16日上午10时,神舟十三号载人飞船乘组在圆满完成为期183天的空间站飞行任务后,在内蒙古四子王旗东风着陆场成功着陆,航天员翟志刚、叶光富、王亚平成功返回地面。
这是“神舟”系列飞船的第13次飞行,是中国实施的第8次载人航天飞行任务、第二次空间站飞行任务,创下了中国载人航天、空间站任务飞行时间最长、任务项目最多的纪录。
飞船返回技术的发展
此次神舟十三号返回,有一个名词一直在被提起:“快速返回技术”,所谓的“快速返回技术”,指的是神舟十三号飞船和空间站组合体分离后,将原本需要约20个小时才能完成的制动离轨段,缩减到短短4到5个小时完成,从而确保航天员能够快速返回地面。
看起来无非是“20个小时”到“5个小时”的差别,但事实上“快速返回技术”和“快速对接技术”一样,都属于返回/对接技术的“进阶”。那么,“快速返回技术”到底是怎样做到的、人类 历史 上的载人航天器,都是如何返回地面的呢?
在大伊万的印象里,人类载人航天史上,先后出现了三代返回技术,分别是第一代的“飞船再入、弹射座椅返回技术”,第二代的“飞船再入、降落伞减速返回技术”、第三代的“轨道器再入、直接降落在机场返回技术”。
先说第一代返回技术,此代返回技术以苏联“东方”系列载人飞船为典型代表,主要技术特征和技术步骤是:飞船输入导航参数,载人舱段和服务舱段分离,尔后建立再入姿态,进入高层大气,利用大气层实施气动减速,待到达低层大气后,航天员启动弹射座椅弹射出舱,用降落伞降落到地面,飞船不继续减速,而是撞地坠毁。
这种航天员返回技术相对简单,比较适合苏联第一代载人飞船体积狭小、难以安排布置大型减速主伞的客观情况,人类 历史 上第一名航天员尤里加加林,就是采用这样的方式返回地面的。但是,这种靠弹射座椅弹射、使用降落伞落地的方式,可靠性和安全性非常差,对飞行员的生理和心理都是相当大的挑战。因此,很快就被全面淘汰了,只在美国的第二代载人飞船“双子星”飞船上,作为备用的逃逸设备被保留了下来,但也从来没有真正运用过。
而第二代返回技术,也即“飞船再入,降落伞减速返回技术”,分别被美苏两国运用在了自己的“水星”系列载人飞船(1962年2月实施首次地球轨道飞行)、“上升”系列飞船(1964年10月实施首次三人航天器飞行)上。所谓的“降落伞减速返回”,顾名思义,飞船实施制动离轨、多次调姿、推进舱和返回舱分离、建立再入姿态、穿过高层大气,进入低层大气后,航天员和飞船不分离,飞船上安装大型减速伞,打开减速伞后,将飞船的下降速度降低到合适的区间,并完成着陆。
目前,中国的“神舟”系列飞船,俄罗斯的“联盟-TM”系列飞船,美国的“载人龙”和已经退役的“阿波罗”系列飞船,均采用了这一着陆方式。当然在具体的着陆参数设置和部分设计细节上,以上飞船还是有相当大的不同的:
以美国而言,NASA设计的载人飞船偏好海上溅落,海上溅落的优势是海水缓冲相对较好,可以相应提高飞船的再入速度,如载人登月飞船再入时,就必须选择在海上溅落;
同时,海上溅落对飞船返回参数的选择比较宽泛,可以选择相对较大的着陆区,甚至不用担心飞船落偏方向,在海上溅落时,飞船也不需要设计反推火箭等;
但是,海上溅落的劣势是飞船抗浪性较差、遭遇大风大浪容易发生沉没事故、给航天员生命安全造成威胁,如美国在“水星”计划中,就出现过飞船溅落时莫名其妙地弹开了舱门、沉入大海最终没有被打捞起来的问题,让航天员加斯格里森差点丢了小命。
而中、苏(俄)的载人飞船偏好陆地着陆,陆地着陆的优势是安全性相对较好,不用担心飞船进水沉没的问题,也不用担心海上搜救的问题。比较适合中、苏(俄)等国海军力量薄弱,对海域(对苏联来说是温暖水域)控制权不足,但陆地面积相对广大,部分地区地广人稀的现状。
当然,陆地返回对再入速度的要求比较高,这就要求飞船必须实施有效的制动减速,增设反推火箭,尽最大可能降低着陆速度等。总的来说,“陆地着陆”和“海上着陆”无太大的区别,也没有孰优孰劣之分,只能说中、苏(俄)、美三国都选择了适合自己的飞船回收方式。
“机场着陆”返回技术
尽管“飞船再入,降落伞减速返回”的技术,到“阿波罗”飞船和“联盟”系列飞船阶段已经完全成熟,但美苏两国在冷战的大背景下,依然没有放弃研发新一代载人航天器的着陆技术。这就是美国、苏联航天飞机轨道器采用的“机场着陆”返回技术:
以美国的航天飞机轨道器为例,在返回地面之前,经历建立再入姿态后,需要在自动驾驶设备的协助下,在高空实施一个巨大的S型转弯,这一S型转弯将帮助飞机完成减速,从24马赫降低到10马赫,再进一步降速到3.5马赫左右。
航天飞机再入过程的地面航迹示意图
此时航天飞机轨道器的飞行高度大约为30千米,并脱离黑障区域,建立和地面的通联,由正常的机场进近引导轨道器再实施一个S型转弯,完成转弯后,航天飞机轨道器将减速到亚音速,高度降低到2000米以下,最终使用正常的ILS着陆系统,在机场跑道上着陆。
降落在美国加利福尼亚爱德华空军基地的航迹示意图
但相比波音737系列客机约135节的着陆速度,航天飞机轨道器的着陆速度一般高达200节以上,对着陆系统和跑道的要求要远远高于普通的大型客机。
“暴风雪”号航天飞机
此外,值得一提的是,相比美国的航天飞机轨道器采用无动力滑翔着陆的方式,苏联的“暴风雪”航天飞机轨道器,特地安装了两部RD-33型发动机,可以让它在大气层中实施机动飞行,该型航天飞机轨道器也第一次初步具备了“空天飞机”的雏形。
但是,由于航天飞机系统的制造、使用、维护价格实在太高,高到远远超过了美苏两国的承受能力。同时,作为一个复杂系统,航天飞机的成熟度始终赶不上更加可靠的载人飞船,苏联解体后,“暴风雪”号航天飞机以极快的速度被丢进了垃圾场,而NASA在惨淡经营了许久后,也终于在连续坠毁两架的情况下,选择了放弃航天飞机轨道器,第三代载人航天返回技术变成了昙花一现。
“快速返回技术”
因此,目前最为先进的载人飞船返回技术,就是基于第二代“飞船再入、降落伞减速着陆”技术改进的“快速返回技术”。所谓的“快速返回技术”,主要“快速”在飞船的制动离轨阶段,原有的飞船制动离轨阶段,需要实施两到三次变轨调姿、一次变轨减速,才能进入惯性滑行段。
按原有的返回程序,三次变轨调姿、一次变轨减速需要约15圈飞行、20个小时才能完成,从空间站撤离、到返回地面,大约需要1天时间,在这期间,由于飞船已进入返回阶段,故而航天员必须被固定在座椅上,无法移动,甚至也难以进食,对航天员的生理有比较大的影响。
而在实施快速返回程序后,变轨调姿、变轨减速可以在4圈、6个小时左右就基本完成,从航天员撤离空间站,到返回地面,可以在不到10个小时内完成。比如此次神舟十三号飞行任务,凌晨0点44分飞船与空间站组合体分离,上午10时许飞船就已经着陆,前后花了9小时多一点的时间,这背后对飞船程控、地面遥测能力的提升,是显而易见的。
尽管咱们的神舟系列飞船,已经实现了空间站快速对接、飞船快速返回,可以说是做到了当前载人飞船返回的最高水准。但是,未来如果我们要遂行载人登月任务,新的921载人飞船大概率要使用新的海上着陆技术,这对我们的载人航天返回技术提出了更高的挑战。