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神舟十七号即将返航,有多惊险?舱外高达2000℃:被烧得黑不溜秋

作者:璀璨科学

预计在4月30日,神舟十七号飞船就会返回地球了,东风着陆场也已经做好迎接神舟十七号飞船凯旋归来的准备。虽然飞船返航的原理看起来很简单,制动减速、舱段分离、再入大气层、打开降落伞、启动反推发动机,最后降落到地面,但是实际的情况远比想象中的复杂得多。

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因为飞船在距离地球表面大约400公里的圆形轨道环绕地球飞行,飞行速度超过7公里每秒,在返航时需要精准地降落到东风着陆场,着陆的难度堪比“万里中10环”。

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飞船返航有多惊险

放眼全球,能够将航天器送上太空的国家其实已经有很多,还有很多国家也有能力将探测器送上月球或者送上火星轨道,但是到目前为止,只有中国、美国、俄罗斯3个国家具备独立发射载人飞船的能力。

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这其实也说明了载人航天的技术要求相当高,毕竟载人飞船搭载了航天员,不仅需要将航天员安全送上太空,还要将航天员安全接回来。

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其他国家没有办法执行载人航天任务,其中一个主要的原因就是他们没有把握让航天员在执行飞行任务后安全返航。回顾人类航天历史,我们就知道飞船在发射升空以及返航的过程都是非常惊险的。

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特别是飞船从外太空返回地球时,会经受高达1000-2000℃高温的灼烧,也正是外部温度这么高,飞船会进入黑障区,飞船的信号会被屏蔽,短暂失联。在这么高温的灼烧下,一般的材料是难以承受的,不过载人飞船返回舱不会被烧毁。

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当神舟十七号飞船从中国空间站撤离前,航天员会身穿舱内航天服,进入到飞船返回舱内。从中国空间站撤离后,飞船的第一步就是需要进行制动减速,也就是降低飞行速度,然后在合适的时机进行轨道舱、推进舱的分离,只留下飞船返回舱。

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搭载了航天员的飞船返回舱还需要调整飞行姿态,在合适的位置以一个合适的角度进入地球大气层,这个时候也非常关键,角度的选择非常重要。

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而且,由于飞船返回舱在进入大气层后,气动加热效应很强烈,外部温度会急剧上升,最高温的部位在飞船返回舱前进的方向,所以在重返大气层时,还需要控制返回舱的飞行姿态,让它的底部隔热大底朝前,让隔热大底承受更高温的灼烧。

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看起来很简单,但是如果飞船返回舱在返航的过程中飞行姿态失去了控制,那就很危险了。因为飞船返回舱外部温度相当高,外部材料的耐热能力不同,其中底部的隔热大底是最耐热的,隔热大底朝下的再入姿态可以达到最大的保护效果。如果下降的过程中出现翻转的情况,让其他的部位朝前,可能就会导致返回舱出现问题。

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随着飞船返回舱高度不断下降,速度会越来越慢,不过还达不到安全着陆的程度,所以在距离地面差不多还有10公里的时候,就会打开降落伞。借助面积巨大的降落伞,飞船返回舱能够更好地减速,这时候还会抛掉飞船返回舱底部的隔热大底,在距离地面差不多还有1米时,飞船返回舱底部的反推发动机就会启动了,让返回舱稳稳地降落到地面。

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由于飞船在最后减速的过程中会打开面积高达1200平方米的降落伞,这样的降落伞没法控制的,所以会随风漂移,没法做到100%精准着陆到预选的着陆点。如果返航时风比较小,实际的着陆点偏差可能不会很大,在预选着陆点附近,如果返航时风比较大,那飞船的实际着陆点可能就会偏离比较远。

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中、美正加紧测试同款“防护罩”

飞船从外太空返回地球时会经受高温的灼烧,这是没法避免的事情。因为这些航天器的飞行速度很快,而地球又拥有浓密的大气层,当航天器以极快的速度闯入大气层时,气动加热效应就会非常强烈,温度自然也就会急剧上升。

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很多国家都没有掌握航天器高速返航的技术,所以他们都没有能力发射载人飞船将航天员送上太空去执行飞行任务。

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虽然飞船返航时没法避免剧烈燃烧的情况,但是随着科技的进步,未来会出现新的隔热技术,那就是充气式防热罩。目前中国、美国都在加紧研制同款的“防热罩”,让飞船能够更好地返航。

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现在的载人飞船返回舱外部都涂有一层烧蚀材料、隔热材料,也就是给飞船返回舱外部加装了一个防护罩,用来抵抗飞船返航时气动加热效应产生的热量。虽然飞船返回地球时外部一度飙升到一两千℃,但是飞船返回舱内的温度却维持在30℃以下。

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虽然这样的技术能够很好地保护飞船返回舱不被高温烧毁,但是这样的设计其实也存在一些弊端,其中一个问题就是重量。众所周知,飞船发射的成本是非常高的,而整个飞船返回舱有接近45%的重量都用到了这些烧蚀材料上面了。而且这些烧蚀材料是一次性的,在返回地球过程中就会脱落带走热量。

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随着技术的不断发展,现在我们人类正在朝着可以重复使用的飞船方向发展,现在也就急需一种更轻的“防护罩”,目前科学家正在研制的充气式防热罩就能够达到这样的效果。与现在使用的技术相比,充气式防热罩具有非常多优势。

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第一个优势,那就是体积可大可小,因为充气式防热罩是充气的,在发射升空时可以收纳起来,在返回地球时再充气变大。

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第二个优势,那就是充气式防热罩可以变大,迎风面积也就变大了,空气阻力自然也就增大了,能够更好地减速。

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虽然充气式防热罩技术优势非常明显,但是研制的难度却相当高,堪称是地狱级的难度。

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因为充气式防热罩是充气的,意味着它的强度是有限的,当飞船返回舱重返地球时速度非常快,在这么快的速度闯入地球大气层时,怎么保障充气式防热罩不受损。而且,在重返地球时温度相当高,充气式防热罩的材料怎么才能扛得住这么高温的灼烧。

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虽然研制难度相当大,但是大陆在充气式防热罩的研制方面已经取得了一些成果,还进行过实际的测试。早在2020年,我们发射的长征五号火箭就首次进行了柔性充气式货物返回舱试验舱。

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