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神舟十七号即将返航,有多驚險?艙外高達2000℃:被燒得黑不溜秋

作者:璀璨科學

預計在4月30日,神舟十七号飛船就會傳回地球了,東風着陸場也已經做好迎接神舟十七号飛船凱旋歸來的準備。雖然飛船返航的原理看起來很簡單,制動減速、艙段分離、再入大氣層、打開降落傘、啟動反推發動機,最後降落到地面,但是實際的情況遠比想象中的複雜得多。

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因為飛船在距離地球表面大約400公裡的圓形軌道環繞地球飛行,飛行速度超過7公裡每秒,在返航時需要精準地降落到東風着陸場,着陸的難度堪比“萬裡中10環”。

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飛船返航有多驚險

放眼全球,能夠将航天器送上太空的國家其實已經有很多,還有很多國家也有能力将探測器送上月球或者送上火星軌道,但是到目前為止,隻有中國、美國、俄羅斯3個國家具備獨立發射載人飛船的能力。

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這其實也說明了載人航天的技術要求相當高,畢竟載人飛船搭載了航天員,不僅需要将航天員安全送上太空,還要将航天員安全接回來。

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其他國家沒有辦法執行載人航天任務,其中一個主要的原因就是他們沒有把握讓航天員在執行飛行任務後安全返航。回顧人類航天曆史,我們就知道飛船在發射升空以及返航的過程都是非常驚險的。

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特别是飛船從外太空傳回地球時,會經受高達1000-2000℃高溫的灼燒,也正是外部溫度這麼高,飛船會進入黑障區,飛船的信号會被屏蔽,短暫失聯。在這麼高溫的灼燒下,一般的材料是難以承受的,不過載人飛船傳回艙不會被燒毀。

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當神舟十七号飛船從中國空間站撤離前,航天員會身穿艙内航天服,進入到飛船傳回艙内。從中國空間站撤離後,飛船的第一步就是需要進行制動減速,也就是降低飛行速度,然後在合适的時機進行軌道艙、推進艙的分離,隻留下飛船傳回艙。

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搭載了航天員的飛船傳回艙還需要調整飛行姿态,在合适的位置以一個合适的角度進入地球大氣層,這個時候也非常關鍵,角度的選擇非常重要。

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而且,由于飛船傳回艙在進入大氣層後,氣動加熱效應很強烈,外部溫度會急劇上升,最高溫的部位在飛船傳回艙前進的方向,是以在重返大氣層時,還需要控制傳回艙的飛行姿态,讓它的底部隔熱大底朝前,讓隔熱大底承受更高溫的灼燒。

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看起來很簡單,但是如果飛船傳回艙在返航的過程中飛行姿态失去了控制,那就很危險了。因為飛船傳回艙外部溫度相當高,外部材料的耐熱能力不同,其中底部的隔熱大底是最耐熱的,隔熱大底朝下的再入姿态可以達到最大的保護效果。如果下降的過程中出現翻轉的情況,讓其他的部位朝前,可能就會導緻傳回艙出現問題。

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随着飛船傳回艙高度不斷下降,速度會越來越慢,不過還達不到安全着陸的程度,是以在距離地面差不多還有10公裡的時候,就會打開降落傘。借助面積巨大的降落傘,飛船傳回艙能夠更好地減速,這時候還會抛掉飛船傳回艙底部的隔熱大底,在距離地面差不多還有1米時,飛船傳回艙底部的反推發動機就會啟動了,讓傳回艙穩穩地降落到地面。

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由于飛船在最後減速的過程中會打開面積高達1200平方米的降落傘,這樣的降落傘沒法控制的,是以會随風漂移,沒法做到100%精準着陸到預選的着陸點。如果返航時風比較小,實際的着陸點偏差可能不會很大,在預選着陸點附近,如果返航時風比較大,那飛船的實際着陸點可能就會偏離比較遠。

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中、美正加緊測試同款“防護罩”

飛船從外太空傳回地球時會經受高溫的灼燒,這是沒法避免的事情。因為這些航天器的飛行速度很快,而地球又擁有濃密的大氣層,當航天器以極快的速度闖入大氣層時,氣動加熱效應就會非常強烈,溫度自然也就會急劇上升。

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很多國家都沒有掌握航天器高速返航的技術,是以他們都沒有能力發射載人飛船将航天員送上太空去執行飛行任務。

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雖然飛船返航時沒法避免劇烈燃燒的情況,但是随着科技的進步,未來會出現新的隔熱技術,那就是充氣式防熱罩。目前中國、美國都在加緊研制同款的“防熱罩”,讓飛船能夠更好地返航。

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現在的載人飛船傳回艙外部都塗有一層燒蝕材料、隔熱材料,也就是給飛船傳回艙外部加裝了一個防護罩,用來抵抗飛船返航時氣動加熱效應産生的熱量。雖然飛船傳回地球時外部一度飙升到一兩千℃,但是飛船傳回艙内的溫度卻維持在30℃以下。

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雖然這樣的技術能夠很好地保護飛船傳回艙不被高溫燒毀,但是這樣的設計其實也存在一些弊端,其中一個問題就是重量。衆所周知,飛船發射的成本是非常高的,而整個飛船傳回艙有接近45%的重量都用到了這些燒蝕材料上面了。而且這些燒蝕材料是一次性的,在傳回地球過程中就會脫落帶走熱量。

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随着技術的不斷發展,現在我們人類正在朝着可以重複使用的飛船方向發展,現在也就急需一種更輕的“防護罩”,目前科學家正在研制的充氣式防熱罩就能夠達到這樣的效果。與現在使用的技術相比,充氣式防熱罩具有非常多優勢。

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第一個優勢,那就是體積可大可小,因為充氣式防熱罩是充氣的,在發射升空時可以收納起來,在傳回地球時再充氣變大。

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第二個優勢,那就是充氣式防熱罩可以變大,迎風面積也就變大了,空氣阻力自然也就增大了,能夠更好地減速。

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雖然充氣式防熱罩技術優勢非常明顯,但是研制的難度卻相當高,堪稱是地獄級的難度。

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因為充氣式防熱罩是充氣的,意味着它的強度是有限的,當飛船傳回艙重返地球時速度非常快,在這麼快的速度闖入地球大氣層時,怎麼保障充氣式防熱罩不受損。而且,在重返地球時溫度相當高,充氣式防熱罩的材料怎麼才能扛得住這麼高溫的灼燒。

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雖然研制難度相當大,但是大陸在充氣式防熱罩的研制方面已經取得了一些成果,還進行過實際的測試。早在2020年,我們發射的長征五号火箭就首次進行了柔性充氣式貨物傳回艙試驗艙。

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