从1天缩短到几小时!神十三快速返回:航天员会经历怎样的过程?

4月11日,中国航天科技集团官方微博发布了一条博文:

神舟十三号航天员乘组为期六个月的太空“出差”行将结束。在返回之前,航天员们还有物资清点转移、舱内环境清洁维护、打包下行物品、设置无人飞行模式、检查飞船工作状态、身体监测等工作,为保障航天员们安全、顺利返回地球,地面将与航天员协同完成返回的各类准备工作。

早在2月9日,中国航天科技集团五院载人飞船系统项目技术副经理邵立民在发布会上介绍今年神舟十三号任务时着重的提到了一个重点:

神舟十三号将首次实施快速返回,进一步提升航天员的舒适性及任务实施效率,建立了高密度发射任务下的多艘载人飞船并行研制、发射、停靠、返回及在轨管理体系。

相信很多朋友都有一头雾水,航天员打包带回的东西到底有哪些,半年的垃圾是不是也要带回,毕竟不能在太空乱丢垃圾是吧;另一个问题则是,所谓的快速返回到底是怎么回事?

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垃圾已经带回来了:天舟二号垃圾回收站

其实天宫空间站的所有垃圾都已经带回来了,就是超大号的“垃圾桶”天舟二号!2021年5月29日发射后,神舟十二号随后在6月16日发射对接天和号核心舱,大家都戏称赶着去拆快递了,然后就有了一个问题,这些快递包装怎么办,丢哪里?

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拆“快递”

当时官方的报道中就有天舟二号变成垃圾存放处以及临时仓库的说法,这个大号垃圾箱的存在使得天宫空间站上航天工作、生活过程中产生的垃圾临时存放完全没有压力。在天宫空间站产生的垃圾中数量最大的是哪种?

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尽管没有官方数据,但种花家私下里猜测占比最高的垃圾应该有两种,体积最大的应该是包装材料和仿真材料,尽管成本很高,但保证货物安全上天是必不可少的。

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另一个则是重量占比最大,各位猜是什么,很有可能是人粪便,每人每天至少有100~300g大便,含水率约为25%~60%,尿液也是垃圾吗?答案为不是!因为尿液可以处理成饮用水循环使用,但大便有点麻烦,笔者查不到资料是否将大便干燥处理后回收水。

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假设是干燥处理并回收水分,那么按45%水分比例,按每天200g的大便将会留下110g的固形物,3人3个月为29700g,也就是29.7千克。

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天舟二号靠泊在天和号核心舱上大约10个月,历经2届航天员,第二次3人六个月,那么计算可得为59.4千克,两者相加大约为89.1千克,估计这一担人粪便没几个人能挑走。这些垃圾都会随着天舟二号货运飞船在大气层中烧毁,它已经与3月31日受控坠落于南太平洋:

中国载人航天官方公众号于3月31日发布报道,天舟二号货运飞船已于北京时间3月31日18时40分受控再入大气层。飞船绝大部分器件被烧蚀销毁,少量残骸落入南太平洋预定安全海域。

随着神舟飞船返回,航天员会带回什么?

航天员们还把个人的私人物品带回来,当然更重要的还可能有实验后的“产品”,因为空间站内零重力环境,可以制造地面无法制造的产品,对于高纯净度的金属冶炼以及无重力结构支撑制造方面存在极大的优势。

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比如金属冶炼和药物制造,药物的纯净度高于地面制造的5倍以上,目前已有20多种在地面难以制造的特殊药品在可以在空间站内制成,不过种花家也查不到到底有哪些实验设备,也无法评估有哪些产品,但相信很可能是有的。

神十三快速返回:航天员会经历怎样的过程?

此前的神舟系列飞船返回,差不多要经历约一天左右的时间,但神舟十三飞船返回可以缩短至4小时,两者到底有什么差别,航天经历的过程究竟是怎样的?

  • 2021年9月17日13时34分,神舟十二号返回舱着陆于中国内蒙古自治区阿拉善盟额济纳旗赛汉陶来苏木东风着陆场,这也是神舟飞船首次在东风着陆场着陆。
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返回过程其实没差,唯一不同的是分离时机

飞机到达目的地才能降落,飞船也差不多,不过飞船在天上却不像飞机那么自由,它是有自己轨道的,就像神舟十三号飞船,它和天宫空间站对接在一起,轨道参数为:

高度:389.2千米

倾角:41.58°

空间站轨道为大致圆形,忽略偏心率的话,只要这两个参数,基本上就能算出每天几点几分会经过东风着陆场上空了,绕地球一圈92.2分钟,一天大要绕地球15.6圈,但只有一圈是经过着陆场上空的。

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不过并不能在路过着陆场上空再分离,因为在“落地”之前有几个动作要做,首先是精确调整轨道,准备减速进入再入走廊,然后是分离轨道舱,然后再分离推进舱,最终进入大气层,而这些动作加上再入角度规划留出的距离需要,至少需要1个小时左右才能完成。

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因此飞船至少需要大半圈的时间与距离作为返回使用,因此真正返回时间大约需要1小时左右!那么问题来了,为何快速返回要4小时,“标准返回”要一天呢?

“标准返回”和快速返回究竟有什么不一样?

其实两者最终的流程并没有区别,唯一差别的就是空间站分离到减速再入这个阶段,这中间有空间站的因素也有飞船的因素:

神舟十号与天宫一号和神舟十一号与天宫二号都用了一天多,神舟十号和十一号飞船的返回高度是一个相对固定值,与天宫一号和二号脱离后,需要调整轨道高度到返回高度,然后再进行返回,因此分离后这一天时间就用来干这个了。

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而到了神舟十二号飞船则对返回轨道做了适应性设计,有比较大的可调范围,在神舟十二号返回时就做了部分测试,确认这套可调高度范围的设计没有问题,因此到了神舟十三号就可以直接快速返回了。

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当然快速返回也不是分离后直接进入减速进入再入走廊,而是需要1-2圈左右的准备后再进入减速返回阶段,因此总共大约需要3-4小时,联盟号返回大约3小时多点,我国的神舟十三号返回大约在4小时左右,两者差不多时间,基本在同一水平线上。

从开始返回到落地,究竟是个怎样的过程?

假如把每一步细化的话总共大约有24个过程,不过那样看起来实在太过繁琐,下文就拣几个关键节点了解下:

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  • 1、抛掉轨道舱后飞船“掉头”,“屁股”朝前,准备减速进入再入走廊
  • 2、到140~145千米高度时抛掉推进舱,随后调整重心让飞船保持一定的升阻比,控制再入轨迹的角度;
  • 3、大约从90千米高度开伞,飞船抗烧蚀大底在高超音速激波的作用下会产生高温,形成所谓的黑障,大约在30~40千米高度时由于速度下降,飞船出黑障;
  • 4、在10千米高度的时候,分别打开引导伞拉出减速伞,最后完全开伞,将飞船速度降至10米/秒以下;
  • 5、距离地面高度约1米时开启着陆反推发动机,实现软着路;

飞船从减速开始到着陆,大约经过环绕地球半圈不到的距离,为何要那么远的原因其实挺简单,因为飞船与空间站脱离之前速度是7.7千米/秒左右,而着陆时速度为0,如果距离太短的话,其过载过高,航天员非常不舒服,甚至可能会因为超过10个G的过载下极度不适甚至昏迷。

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如果角度太小,那么可能就会滑出大气层再次回到近地轨道上,或者远远超出搜救范围的地点。因此这个再入角度大约是1.5°~1.7°左右,各位用三角函数算下,高度400千米的直角三角形斜边应该在1.3万千米以上。

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联盟号返回示意图

根据晨昏线以及降落地点的角度,各位可以估计下距离,差了不会太大。

航天员到底会经历什么?

从飞船返回到落地,航天员会从失重状态转变为超重状态,因为减速过程中遭遇的就是超重,不过现代飞船返回都在4g左右,也就是承受自身体重4倍左右的重量,一般人还是比较难受的,但对于经过专业训练或者战斗飞行员来说,那不过是小菜一碟而已。

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但落地后就会比较难过了,因为长期的失重状态,人体已经适应了失重环境,突然来到了标准重力加速度环境下,会感觉胳膊都抬不起来,就像在游泳池里泡了太久的时间突然爬上岸边的感觉有些类似,所以航天员落地就得坐在椅子被抬回来。

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最刺激的过程应该是黑障阶段,飞船外部包裹的“火球”,这个在舷窗内是能看到的,震动、过载加上呼啸而过的“火焰”,这辈子有机会真要去经历一次哈。

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