揭秘:踏上重返地球的路,航天員要闖過哪些關(guān)?
出差3個(gè)月,航天員要回家了。離開中國空間站,踏上重返地球的路,航天員要闖過哪些關(guān)?與嫦娥五號(hào)帶著月壤回家相比,神舟十二號(hào)回家有何異同?對此,記者專訪了國際宇航聯(lián)空間運(yùn)輸委員會(huì)副主席楊宇光。
航天員重返地球風(fēng)險(xiǎn)高,首次在東風(fēng)著陸場降落
問:神舟十二號(hào)的三名航天員從太空出發(fā),重返地球家園,這個(gè)過程大致是怎樣的呢?
楊宇光:重返地球是一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)過程。航天器以7.8公里每秒的速度環(huán)繞地球運(yùn)行,而空間軌道運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是,如果航天器原來是在一個(gè)圓軌道上運(yùn)行,只需把速度稍降一點(diǎn)點(diǎn),就會(huì)進(jìn)入一個(gè)橢圓軌道,這個(gè)橢圓軌道離地球最近的點(diǎn)是近地點(diǎn)。當(dāng)速度降到一定程度后,這個(gè)近地點(diǎn)就能低到大氣層內(nèi)了,隨后利用大氣阻力減速。
飛船和地心連線與地面的交點(diǎn)被稱為星下點(diǎn),而飛船運(yùn)行和地球自轉(zhuǎn)使得星下點(diǎn)在地球表面移動(dòng),形成星下點(diǎn)軌跡。當(dāng)軌跡運(yùn)行到非洲南端附近時(shí),地面會(huì)向飛船下發(fā)制動(dòng)指令,減速后進(jìn)入近地點(diǎn)降低后的橢圓軌道運(yùn)行。大約在經(jīng)過巴基斯坦卡拉奇上空時(shí),飛船接觸大氣層并開始?xì)鈩?dòng)加熱,隨后經(jīng)過我國新疆入境。在飛行高度達(dá)到10公里左右時(shí),飛船打開降落傘,速度進(jìn)一步降低,并拋掉它下面的防熱大底。大約離地面還有一米高時(shí),飛船里的幾個(gè)小固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步反推減速,讓航天員以一個(gè)舒服的速度著陸。
返回過程復(fù)雜,任何環(huán)節(jié)都不能出錯(cuò)。首先,飛船與大氣劇烈摩擦產(chǎn)生極大熱量,因此飛船具有氣動(dòng)外形,下面有一個(gè)防熱大底,承受上千度的高溫,防止熱量傳到航天器內(nèi)部,這是返回過程中影響飛船安全性的一個(gè)關(guān)鍵問題。第二,降落傘必須能夠正常工作,這也是神舟飛船設(shè)計(jì)了主、備兩套傘的原因。降落傘在人類航天歷史上出過問題,上世紀(jì)60年代,蘇聯(lián)“聯(lián)盟一號(hào)”就發(fā)生了降落傘纏繞問題,沒有打開,返回艙以極快的速度撞擊到地面后立刻上升,教訓(xùn)慘痛。此外,還有座椅抬升緩沖、維持艙內(nèi)氣壓等一系列操作,共同保證航天員安全著陸。
問:這次神舟十二號(hào)返回與之前的返回任務(wù)相比,有什么不一樣嗎?
楊宇光:我認(rèn)為主要有兩點(diǎn)不同。第一,神舟十二號(hào)與空間站核心艙對接了三個(gè)月,過去神舟飛船沒有飛過這么長時(shí)間,這三個(gè)月里,空間輻射環(huán)境等都對飛船設(shè)備產(chǎn)生影響。飛船和核心艙分離前,我們會(huì)對這些設(shè)備進(jìn)行充分檢測,確保沒問題再離開。
第二,這是神舟飛船首次在東風(fēng)著陸場降落,而過去神舟飛船都是落在四子王旗著陸場。為什么這次換地方了呢?過去,神舟飛船是從一個(gè)固定的高度返回,而到了空間站階段,神舟飛船在軌時(shí)間變長,運(yùn)行軌道受空間站軌道規(guī)劃影響,所以它的高度變化范圍較大,不見得是從一個(gè)固定高度返回。
高度變化,意味著飛船返回著陸點(diǎn)范圍可能會(huì)變化較大,主要體現(xiàn)在東西方向上。東風(fēng)著陸場位于戈壁地區(qū),它的整個(gè)東西方向的寬度更大,且大都屬于無人區(qū)或者說是一個(gè)相對安全的區(qū)域,降落更具可控性和便利性。
北斗導(dǎo)航終端精確定位飛船位置,測控站全程監(jiān)視飛船飛行,光學(xué)設(shè)備和雷達(dá)跟蹤預(yù)報(bào)軌跡
問:如何確保飛船降落在可控區(qū)域內(nèi)?我們可以準(zhǔn)確判斷降落點(diǎn)嗎?
楊宇光:飛船采用半彈道式方式返回,整體受控,具有理論落點(diǎn)。但是,飛船再入大氣層的過程中受到各種擾動(dòng),大氣層密度、高空風(fēng)場都會(huì)對飛船軌跡產(chǎn)生影響。當(dāng)飛船降落傘打開后,風(fēng)的影響還會(huì)更大。
但這不代表飛船著陸不可控。返回著陸是一個(gè)系統(tǒng)工程,需要多方面配合,地面的著陸場系統(tǒng)、測控系統(tǒng)都要進(jìn)行很多工作,國內(nèi)外的多個(gè)測控站全程監(jiān)視飛船飛行,光學(xué)設(shè)備和雷達(dá)跟蹤預(yù)報(bào)軌跡。
問:神舟十二號(hào)上有沒有定位設(shè)備?我們是不是可以隨時(shí)得知飛船的“實(shí)時(shí)位置”?
楊宇光:飛船上有北斗的導(dǎo)航終端,在空間軌道運(yùn)行時(shí)可以精確給出它的位置和速度。不過,在飛船再入大氣層過程中,有一段導(dǎo)航是不起作用的,我們稱之為“黑障區(qū)”。剛才提到過,再入過程摩擦劇烈產(chǎn)生高溫,高溫會(huì)使飛船表面的防熱材料燒蝕,形成帶電的等離子體鞘,它能屏蔽無線電波,地面與飛船之間的無線電通信便中斷了。不只是神舟飛船,任何航天器在返回地球時(shí)都會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。隨著飛船速度降低,溫度降低,等離子體鞘解除,通信也就恢復(fù)了,地面可以實(shí)時(shí)得知飛船位置和速度。當(dāng)然,即使在“黑障區(qū)”,我們也可以用雷達(dá)去密切監(jiān)視飛船。
落地后,導(dǎo)航終端依然有效,搜救人員可以獲知飛船坐標(biāo)。在精確預(yù)報(bào)的前提下,地面搜救團(tuán)隊(duì)才能在飛船落地后快速到達(dá)落點(diǎn)。飛船上也有無線電信標(biāo)以及閃光燈來輔助搜救人員找到飛船。
與嫦娥五號(hào)不同,神舟飛船返回需著重考慮人的安全
問:去年嫦娥五號(hào)攜月壤返回地球,大家也都特別關(guān)注。神舟飛船載人返回的過程和嫦娥返回的過程一樣嗎?
楊宇光:差別很大,最大的不同在于神舟飛船是載人返回,需著重考慮人的承受能力和安全問題;嫦娥五號(hào)沒有人,難點(diǎn)在于返回速度快,受力受熱更嚴(yán)重。
飛船在起飛和返回階段有加速度,加速度比較大時(shí),就會(huì)出現(xiàn)過載現(xiàn)象,即人要承受相當(dāng)于身體幾倍的重量。一般來說,神舟飛船返回時(shí),它的過載不會(huì)超過航天員身體重量的3到5倍,但航天員在離心機(jī)上訓(xùn)練時(shí)要承受8倍體重的荷載,這是因?yàn)橐坏┏霈F(xiàn)飛船需緊急返回的情況,加速度會(huì)更大,航天員承受的重量也會(huì)更大,因此平時(shí)訓(xùn)練的強(qiáng)度一定要比實(shí)戰(zhàn)情況大,以防萬一。
嫦娥五號(hào)返回器里面沒有人,不需要考慮這些問題,但它的難點(diǎn)在于返回速度更快,達(dá)到約11公里每秒(接近第二宇宙速度),因此受到的阻力和熱量也比神舟飛船大得多,所以我們需要驗(yàn)證這個(gè)關(guān)鍵技術(shù),這也是為什么我們在嫦娥五號(hào)任務(wù)之前,還進(jìn)行了嫦娥五號(hào)T1(再入返回飛行)試驗(yàn)任務(wù),驗(yàn)證防熱等性能是否可靠。
嫦娥五號(hào)還采用了“半彈道跳躍式返回”(俗稱“打水漂”)方式。返回器不是進(jìn)入大氣后一直下降,而是進(jìn)入大氣層一定“深度”并滑行一定距離后再利用本身的升力“漂”出去,然后再進(jìn)入大氣層返回地球。這樣有兩點(diǎn)好處:一是航天器兩次再入大氣層,航天器受到的氣動(dòng)力和氣動(dòng)加熱比一次直接進(jìn)入小得多;二是通過半升力控制實(shí)現(xiàn)對飛行軌跡的控制,這樣就可以在更大范圍內(nèi)精確調(diào)整著陸點(diǎn)。將來,如果要進(jìn)行載人登月任務(wù),那返回階段就相當(dāng)于要把神舟飛船的返回技術(shù)和嫦娥五號(hào)的返回技術(shù)做一個(gè)結(jié)合,能力再進(jìn)行提升。
航天員在軌做好體能準(zhǔn)備,重返地球有重力適應(yīng)過程
問:我們看航天員出艙一般都是被“抬”出來,這是為什么呢?在太空里生活了三個(gè)月,回家是不是也有一個(gè)適應(yīng)過程?
楊宇光:我們經(jīng)??吹缴裰凼?hào)三位航天員在太空鍛煉,要么在跑步機(jī)上跑步,要么蹬自行車。這是必須的,不能“偷懶”。我們在地球上,天天受重力影響,骨骼和肌肉都能受到刺激,而航天員長期在太空的微重力環(huán)境下生活,肌肉和骨骼不再受到重力刺激,肌肉會(huì)不斷萎縮,骨鈣也會(huì)丟失,因此必須堅(jiān)持鍛煉身體,保證肌肉骨骼的健康。
航天活動(dòng)早期,人們對這一現(xiàn)象并沒有太深刻的認(rèn)識(shí),航天員回到地球后就馬上出艙門了。到了70年代后期,航天員在軌時(shí)間越來越長,其中“禮炮6號(hào)”太空站航天員最多待了100多天,而“禮炮7號(hào)”航天員在里面待了200多天。由于對體能問題認(rèn)識(shí)不深入,航天員沒有進(jìn)行充分鍛煉,回到地球后就變得非常虛弱。后來大家意識(shí)到了這個(gè)問題,就加強(qiáng)了航天員在軌期間的鍛煉。
即便如此,航天員從長期的失重環(huán)境回到了地球,還是有一個(gè)重力適應(yīng)的過程。所以我們看到,無論是國外的“聯(lián)盟號(hào)”飛船還是我們的神舟飛船,返回地球以后,航天員都要在座艙里面進(jìn)行重力再適應(yīng),根據(jù)不同人的體質(zhì)條件和反應(yīng)情況,時(shí)間可長可短。當(dāng)然,航天員并非不會(huì)“走”,如果出現(xiàn)緊急情況,比如降落在水面或者其他非正常區(qū)域,航天員也是要自救的,而地面人員把航天員抬出來,是出于安全考慮。
中國載人航天起步晚但發(fā)展快,整體技術(shù)水平達(dá)到第四代空間站水平
問:這兩年航天活動(dòng)愈發(fā)密集,衛(wèi)星發(fā)射、行星探測、載人航天工程都在緊鑼密鼓地進(jìn)行。我國建設(shè)空間站,對未來開展航天活動(dòng)有什么意義?
楊宇光:我國最早的載人航天計(jì)劃不是現(xiàn)在的921工程,而是上世紀(jì)60年代末的曙光一號(hào)計(jì)劃,但受限于當(dāng)時(shí)條件,計(jì)劃最終取消。到了90年代,隨著經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技實(shí)力的提升,我國具備了相應(yīng)條件,載人航天工程重新啟動(dòng)。工程之初,目標(biāo)就很明確,是要利用載人航天開展科研活動(dòng)。與發(fā)射各種科學(xué)衛(wèi)星不一樣,載人航天是發(fā)揮人的主觀能動(dòng)性,也就是讓航天員在太空進(jìn)行科研,那最好的平臺(tái)是什么?就是適合航天員長期工作生活的空間站。目前,我們已經(jīng)經(jīng)過了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和驗(yàn)證階段,現(xiàn)在是“開花結(jié)果”的時(shí)候了。
載人航天并不屬于經(jīng)濟(jì)效益快速直接的航天活動(dòng),它不像通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星和遙感衛(wèi)星,直接服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì),已經(jīng)產(chǎn)生客觀的經(jīng)濟(jì)效益,載人航天和深空探測的價(jià)值更多體現(xiàn)在成果轉(zhuǎn)化上。比如,尿液收集裝置成果轉(zhuǎn)化為“尿不濕”,這還只是很小的例子,更多的是一些更長線、更間接的成果轉(zhuǎn)化,需要比較長的周期,但是整個(gè)效益和回報(bào)率非常高。我們建設(shè)航天強(qiáng)國,一定要開展載人航天和深空探測活動(dòng),它對于整個(gè)航天產(chǎn)業(yè)、高技術(shù)產(chǎn)業(yè)乃至于整個(gè)國家的國民經(jīng)濟(jì)都有非常重大的牽引作用。
問:中國空間站和早期國外的空間站、如今的國際空間站相比,有何特點(diǎn)和亮點(diǎn)?中國載人航天起步比較晚,但是發(fā)展比較快,標(biāo)準(zhǔn)也比較高,背后有何原因支撐?
楊宇光:到目前為止,空間站已經(jīng)發(fā)展了四代。70年代初,前蘇聯(lián)的禮炮1號(hào)到禮炮5號(hào),以及1973年美國發(fā)射的天空實(shí)驗(yàn)室1號(hào),都是第一代空間站,特點(diǎn)是只能對接一艘飛船,航天員只能短期駐留。
到了70年代,禮炮6號(hào)和禮炮7號(hào)有兩個(gè)對接口了,意味著在對接一艘飛船的同時(shí),還可以有另一艘飛船給它送去補(bǔ)給,支持中長期在軌駐留活動(dòng),屬于第二代空間站。
和平號(hào)空間站是首個(gè)第三代空間站,它采用了模塊化設(shè)計(jì),和平號(hào)空間站核心艙后續(xù)對接了量子1號(hào)、量子2號(hào)、光譜號(hào)、晶體號(hào)、自然號(hào)等艙段,組合成一個(gè)100多噸的龐大組合體。
到了1998年,國際空間站第一個(gè)模塊發(fā)射入軌。作為第四代空間站,它采用了桁架掛艙式結(jié)構(gòu),即以桁架為基本結(jié)構(gòu),其他艙掛靠在桁架上。國際空間站由16個(gè)國家聯(lián)合建造運(yùn)營,重量達(dá)400多噸,可以支持大規(guī)??蒲谢顒?dòng)。
中國空間站采用了類似于第三代和平號(hào)空間站的模塊化設(shè)計(jì),但是它的整個(gè)技術(shù)水平和指標(biāo)達(dá)到了第四代國際空間站的水平。比如,問天號(hào)和夢天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙采用了兩自由度的太陽能帆板,任何時(shí)候都可以用最高效率來對準(zhǔn)太陽,獲得能量,目前只有國際空間站采用了這樣的技術(shù)。中國空間站還是世界上第一個(gè)采用電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行軌道保持的空間站,我們采用的機(jī)械臂技術(shù)也是很先進(jìn)的。
中國空間站規(guī)模適度,符合國情。我國是一個(gè)航天大國,正朝著航天強(qiáng)國的目標(biāo)邁進(jìn),但仍是一個(gè)發(fā)展中國家,資源和經(jīng)費(fèi)都有限,400多噸的空間站規(guī)模既不現(xiàn)實(shí),也無必要。未來,我們的空間站也是可擴(kuò)展的,很有可能再增加一個(gè)核心艙,有更多對接口和靠泊口,從而再增加其他艙段,甚至有可能與其他國家開展國際合作,執(zhí)行更多更大規(guī)模的科研任務(wù)。
在黨的領(lǐng)導(dǎo)下,我們制定了合理的總體路線圖,一步步扎實(shí)前進(jìn),少走了很多彎路。我國載人航天工程早在1992年就提出了“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略,前兩步已經(jīng)實(shí)現(xiàn),現(xiàn)在正在走第三步——建造空間站階段,整個(gè)路線非常明確,堅(jiān)定不移地按照這個(gè)路線前進(jìn),沒有出現(xiàn)路線反復(fù)、資源浪費(fèi)的情況,而且我們遵循了“有所為有所不為”的原則,選擇特定的領(lǐng)域進(jìn)行攻關(guān),以合理的投入獲取最大的工程和科學(xué)研究回報(bào)。