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1580米誤差竟然叫超精準?神舟十五号成功降落,技術難度有多大?

作者:科普DoReMi
1580米誤差竟然叫超精準?神舟十五号成功降落,技術難度有多大?

據中國載人航天工程辦公室公布的官方消息,中原標準時間2023年6月4日6時33分,神舟十五号載人飛船傳回艙在東風着陸場成功着陸。

更讓人激動的是,這次返程的落點被稱贊為超精準,但實際上的落點坐标和雄鷹預測坐标相差1580米。

想要預測傳回艙的落腳點,難度真的有這麼大嗎?

1580米誤差竟然叫超精準?神舟十五号成功降落,技術難度有多大?

神舟十五号此次返程時,一共進行了四次預測,最終落點坐标為東經100°03′52″,北緯41°38′07″。

第一次預報與落點相距1580米,第二次相距1620米,第三次相距1700米,第四次相距1110米。

而這樣的成績,已經算是命中十環的成績。

預測傳回艙的落腳點,難度系數這麼高,原因則是多方面的。

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第一,飛船在飛行中的速度太快了。

在完成所有的太空實驗工作後,宇航員就可以準備返航了。第一件事就是調整飛船的姿勢,在相對前進方向逆時針轉90°,從縱向飛行調整為橫向飛行狀态。

與此同時,飛船的軌道艙和傳回艙開始分離。

傳回艙分離後,開始進行第二次姿勢調整,剩下的兩倉組合體,在剛剛的姿态基礎上,再次向逆時針方向轉90°。

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經過兩次90°的逆時針轉向,傳回艙此時的航行軌迹,相較于準備傳回前,更像是進行了一次掉頭。

這時推進艙在前,傳回艙在後,飛行姿态也從水準飛行,逐漸變成了有一個仰角。

動力來源是推進艙的發動機,飛船的高度從399公裡,下降到了380公裡,飛船一邊減速,一邊漸漸進入傳回軌道。

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當可以看到東風着陸場位于飛船的軌道平面上時,飛船就可以開始減速傳回地球了,而對于傳回艙的落腳點預測,也是從這個時候開始的。

傳回艙在穿過100公裡厚的大氣層時,速度仍然保持在每秒7.9公裡。由于地球有引力,是以在實際下降的時候,速度還會受到重力加速度的幹擾,尤其是在高度越低、空氣密度越大的地方,傳回艙的速度就越快。

傳回艙一秒鐘就能前進七八公裡,在這樣的超高速度下,隻需要0.13秒的時間,就能飛行1公裡。

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是以預測相差距離1580米,确實是命中靶心的水準了。

第二,不可避免的黑障

由于傳回艙在傳回地球的過程中速度過快,和空氣産生了摩擦,傳回艙周圍被火焰所包圍,底部溫度高達幾千攝氏度。

傳回過程中的“黑障”成了不可避免的問題。

傳回艙在傳回時要經曆4個階段,分别是自動減速、大氣層外自由滑行,載入大氣層以及回收着陸。

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其中條件最惡劣,最考驗技術的階段是載入大氣層這一步驟。

随着傳回艙距離地面的高度越來越低,空氣的密度變得越來越大,傳回艙的表面會和大氣層産生摩擦,并且由此帶來巨大的熱量。

此時的傳回艙,看上去就像一個大火球,傳回艙的無線電信号也被火焰所切除,這個階段被稱為無線電的“黑障區”。

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傳回艙出現黑障,一般是從距離地面100公裡的高度時出現,在距離地面約40公裡的高度時消失。

為了解決這一問題,大陸将傳回艙的信号傳輸方式從傳統的信号線纜轉變為了光纖傳輸,大大減少了任務車輛之間傳輸的線纜數量,這使得信号傳輸的速率變得更快。

目前經過大陸科學家的不斷努力,在傳回艙穿越黑障區的時間,可以實作穩定追蹤,這已經是黑障區跟蹤測量難題的一項重大突破。

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第三,開傘過程

傳回艙載入大氣層,并且漸漸進入空氣密度較高的上空時,就需要進一步減速,不然過快的速度帶來的慣性,會給宇航員的脊椎帶來十分嚴重的傷害,輕則重度殘疾,嚴重可能會丢掉性命。

是以如何減緩沖擊,成了保護航天員生命安全的關鍵。

既然沒辦法踩刹車,那就給傳回艙增加阻力,也能實作減速的目的。

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當傳回艙距離地面還有最後10公裡的時候,速度已經從最開始載入大氣層每秒7.9公裡的速度,降低到了每秒200米左右。

速度下降到了原有的2.5%,但這個速度還是相當危險。

此時傳回艙自動打開傘艙蓋,引導傘、減速傘相繼被拉出,速度也下降到了每秒180米左右。

減速傘工作十秒後,會和傳回艙分離,主傘被拉出。

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我們可以将它了解為一個更進階别的降落傘,主傘傘衣面積為1200平方米,相當于三個标準籃球場的面積。

此時傳回艙的速度,會迅速下降到每秒40米,并變成每秒7米。

這些降落傘都是無控傘,會随着風向和風力而産生漂移。

在飛船傳回地面之前,科學家們會根據氣象部門預測的風速、風向等資訊,計算降落傘降落過程中的漂移距離和方向,進而調整開傘點,使得飛船落點更為精準。

1580米誤差竟然叫超精準?神舟十五号成功降落,技術難度有多大?

這個事情說起來簡單,可做起來卻很難。

畢竟在這麼快速度的情況下,隻要是産生了偏差,都會是較大的偏差,像傳回艙的初始位置、姿态偏差、氣動力系數、傳回艙品質等因素,都會對傳回艙的落點造成偏差幹擾。

第四,落地時的助推。

當傳回艙下降到距離地面隻有6公裡的時候,原本安裝在傳回艙底部的隔熱罩,會按照預先程式被抛掉,反推發動機此時露出了廬山真面目。

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在距離地面還有1米的時候,反推發動機會點火啟動,給傳回艙一個向上的力,使宇航員可以安全落地。

此時,一段航空之旅,才算真正結束了。

參考資料:

[1] 環球網《「環時深度」神十五乘組凱旋,哪些“神器”護航?》2023-06-05

[2] 科普廣州《神舟十五返航!飛船傳回時會燒毀,發射時為什麼不會?》2023-06-14

[3] 中國新聞網《最後一米有多重要?“數”看“神舟十五号”傳回艙着陸》2023-06-04

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