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神舟九号/天宫一号载人交会对接任务全过程 |
轨道舱和返回舱分离 |
返回舱和推进舱分离 |
返回舱进入大气层 |
主伞打开 |
缓冲发动机点火 |
返回舱着陆 |
回家四步走
制动飞行阶段——当飞船在太空中运行最后一圈时,地面测控部门向飞船发出返回指令,飞船随即调整姿态,轨道舱与返回舱分离,发动机点火制动,飞船进入返回轨道。
自由滑行阶段——此时,飞船以无动力飞行状态自由下降。当高度降至距离地面140公里处时,推进舱和返回舱分离,推进舱在穿越大气层时烧毁,返回舱继续下降。
再入大气层阶段——飞船返回舱穿越大气层,到达距离地面80至90公里高度时,因高速剧烈摩擦,在飞船表面形成高温等离子气体层,并对电磁波造成屏蔽形成“黑障”,飞船与地面失去联系大约240秒左右。直到距离地球约40公里处,“黑障”才会消失,地面测控部门重新捕获飞船。
着陆阶段——当返回舱距离地球约10公里时,伞舱盖打开,并连续弹开引导伞、减速伞和主降落伞。距离地面5.8公里时,飞船返回舱会抛掉防热大底,由倾斜吊挂姿态转为垂直吊挂姿态。在距离地面1.2米时,4台反推发动机点火,使飞船以每秒1至2米的速度着陆。
全程高科技
返航:“三把锁”精准断开各舱段
连接分离机构就像神舟飞船的臂膀,有力地连接起了飞船的三舱。“我们研制的连接分离机构由‘三把锁’组成,分别在飞船轨道舱和返回舱之间、返回舱和推进舱之间、返回舱防热大底和舱体之间。”连接分离机构研制主管设计师王智健透露,“我们必须保证这‘三把锁’能及时准确脱开,同时时间还要分秒不差,否则后续动作无从谈起。”
轨道舱和返回舱之间的一号锁,是保证航天员顺利返回地球的第一道安全保障;返回舱和推进舱之间的二号锁,是保证返回舱进入大气层后在预定时间预定地点着陆的首要设备;飞船着陆前,返回舱防热大底和舱体之间的三号锁也叫抛底锁启动工作,它关系到防热大底能否按时抛掉、降落伞能否正常打开。
当神九飞船准备返航时,一号锁就要准确地打开,推掉轨道舱,让推进舱和返回舱组合体踏上回家之路。
当推进舱助推返回舱重返大气层内,在预定时间抵达预定轨迹时,二号锁就要分秒不差的打开,推掉推进舱,让返回舱自由地飞向着陆场。二号锁工作的时机非常重要,时间、角度都必须精确到秒的量级,如果时间差1秒,那么返回舱着陆的地点就会差100公里。形象地说,二号锁何时打开,飞船就会在什么地方着陆。
最后,当返回舱接近着陆场时,舱底端用于防御吸收大气层摩擦热量的防热大底已圆满结束使命,由抛底锁执行抛底任务。只有将防热大底抛掉,里面叠放的降落伞才能顺利打开,进而带着返回舱安全返回地面。
另外,飞船在飞行过程中并非一帆风顺,会遇到空中的横向气流,会受到转弯弯矩的影响,必须保证在发射和运行段实现绝对刚性连接,克服各种各样的外力,不允许出现任何松动,否则会产生飞船空中解体或地面解体的后果。
穿越大气层:“防热衣”御高温
神九飞船返回地球时,高速运行的飞船与大气层的摩擦会产生上千摄氏度的高温。这时,返回舱就像一个火球,如果不采取防热措施,航天员将无法承受,返回舱结构也会受损毁。
神九返回舱究竟采用什么样的防热材料和防热结构?早在神九飞天之前,科研人员就采用防隔热材料技术给返回舱穿上一层25毫米厚的高科技“防热衣”。
专家透露,飞船的“防热衣”与其他防热材料不同,不仅要求具备高强的防隔热性能,而且要求密度低、质量轻。科研人员根据返回舱的设计需求,开发了一种密度可设计的低密度烧蚀材料,并将这种烧蚀材料灌注于十余万个蜂窝内来构成“防热衣”。
飞船返回时,防热材料在巨大热流的作用下,自身分解、熔化、蒸发、升华,在消耗表面质量的同时带走大量的热,材料分解形成密实外壳向外辐射热量,并且内部未烧蚀的隔热区域,起到阻止热量进入返回舱的作用,使飞船内部温度控制在30摄氏度左右。
“黑障”期:雷达追踪“消失”的神九
神舟飞船在执行完任务返回地面前,在距地面高度120公里至40公里左右这段行程中,将短暂消失大约240秒左右。
这是由于飞船与大气层摩擦,会在神舟飞船表面形成高温等离子气体层,从而隔绝了地面遥控设备与其通信,形成“黑障”,飞船会与地面失去联系。
此时,已服役13年的我国第一部精密跟踪相控阵测量雷达——回收一号将大展功勋雷达风采,紧盯消失的神九。回收一号雷达将弥补地面遥控设备的不足,通过雷达反射式跟踪保持对飞船的连续跟踪,直至飞船着陆,为准确定位飞船着陆点提供了精确数据。
着陆:
“光子探针”引导飞船降落
神九飞船内,航天员座椅下方安装着γ高度表,虽然不起眼,却是执行神舟飞船飞行最后环节的关键点,是飞船的关键设备,就像是给飞船安全着陆安置的“光子探针”,引导着神九着陆,守护航天员回家。
在飞船返回舱降落至地面时,γ高度表可根据返回舱至地面的距离发出指令指示,在返回舱降至距离地面不同高度时,分别发出航天员即将着陆的预指令信号和反推点火指令等,以减缓返回舱下降速度,实现飞船的安全软着陆。该设备的成功与否,不仅直接关系到神九飞船飞行任务的完成,更关系到航天员的生命安全。
着陆速度如从1米高跳下
神舟九号飞船返回舱在刚刚进入大气层时会以很快的速度向地面坠落,飞船将通过两级减速,将坠落速度降至很低,让返回舱毫发无损安全着陆。科研人员将此称之为软着陆,即人造卫星和宇宙飞船等在降落过程中,逐渐减低降落速度,使航天器在接触地球或其他星球表面瞬时的垂直速度降至很低,最后不受损坏的安全着陆。
神舟九号返回舱的软着陆是通过降落伞和反推发动机两级来实现的。当飞船降到据地面10公里左右时,它的降落伞系统会逐级打开,飞船乘伞下降,但此时飞船返回舱的速度还是比较快,每秒约8至10米;到离地面1米左右时,飞船的反推发动机开始点火启动,同时会给返回舱一个缓冲力。返回舱落地时的速度形象来说,就相当于一个人站在1米高的桌子上跳下去的速度。