[科普中國]-返回艙

簡介

一般載人航天器可分為推進(jìn)艙、軌道艙和返回艙三部分。

推進(jìn)艙又叫儀器艙，通常安裝推進(jìn)系統(tǒng)、電源、軌道制動，并為航天員提供氧氣和水。推進(jìn)艙的兩側(cè)還裝有面積達(dá)20多平方米的主太陽能電池帆翼。

軌道艙是航天員的主要活動區(qū)域，除了升空和返回時要進(jìn)入返回艙以外，其他時間航天員都在軌道艙里，軌道艙集工作、吃飯、睡覺和盥洗等諸多功能于一體。

返回艙又稱座艙，它是航天員的“駕駛室”。是航天員往返太空時乘坐的艙段，為密閉結(jié)構(gòu)，前端有艙門。返回艙和推進(jìn)艙脫離后，返回艙返回，推進(jìn)艙焚毀，而軌道艙相當(dāng)于一顆對地觀察衛(wèi)星或太空實驗室，它將繼續(xù)留在軌道上工作一段時間。

結(jié)構(gòu)要求密閉性與飛船其它載人艙段一樣，返回艙有很高的密封性。但與軌道艙不同的是，返回艙在高溫、高壓作用下仍需保證氣密性。

防燒蝕易散熱為避免與大氣劇烈摩擦產(chǎn)生的高熱燒穿艙壁，返回艙表面涂有燒蝕材料，利用材料的熱解、熔化、蒸發(fā)等方式散熱。這種材料是石棉、玻璃與酚醛摻合形成的復(fù)合材料。直徑2.5米的神舟返回艙表面積有22.4平方米，防熱材料總重量約500千克。為避免局部過熱，返回艙有滾轉(zhuǎn)調(diào)姿發(fā)動機(jī)，會通過自轉(zhuǎn)來均勻受熱。

有了這么多保護(hù)措施，仍要考慮座艙破裂的可能性。屆時身著密閉航天服的航天員將接管自動駕駛儀、通過手動操作備份系統(tǒng)，控制飛船緊急返回。 安全進(jìn)入大氣層后，還需進(jìn)一步控制落地速度。

結(jié)構(gòu)返回艙返回時會在重力的作用下重新進(jìn)入大氣層，氣流千變?nèi)f化將使高速飛行的返回艙難以保持固定的姿態(tài)，因此必須把返回艙做成不倒翁的形狀，底大頭小，不怕氣流的擾動。 整個返回艙可分為三部分。

座艙返回時航天員所處區(qū)域，除了配備可以減小沖擊力的座椅外，航天員的應(yīng)急物品及儀器、膠卷、磁帶、試驗樣品以及科學(xué)數(shù)據(jù)和遙感資料等都會放在這里。

神舟九號的返回艙內(nèi)的坐椅非常像嬰兒椅，因為返回的時候航天員必須要保持蜷縮的姿勢，這是非常安全的姿勢。 返回艙坐椅似嬰兒椅，專家稱可以減小沖擊影響。在返回前這個坐椅還要提升起來，以緩沖落地時瞬間沖擊所帶來的沖擊力。

防熱層與大氣劇烈摩擦?xí)r，會在艙表產(chǎn)生數(shù)千度的高溫，如果不解決防熱問題，飛船還沒等落地就燒成了灰燼。返回艙表面有一層防熱層，是用特殊的燒蝕材料做成的，防熱原理就是通過材料的燃燒而把熱量帶走，經(jīng)科學(xué)家試驗研究發(fā)現(xiàn)，大鐘的形狀相對有利于實現(xiàn)防熱目標(biāo)。

國際上飛船返回艙的防隔熱主要通過三種方法：一是吸熱式防熱，在返回艙的某些部位，采用導(dǎo)熱性能好、熔點高和熱容量大的金屬吸熱材料來吸收大量的氣動熱量；二是輻射式防熱，用具有輻射性能的鈦合金及陶瓷等復(fù)合材料，將熱量輻射散發(fā)出去；三是燒蝕防熱，利用高分子材料在高溫加熱時表面部分材料融化、蒸發(fā)、升華或分解氣化帶走大量熱量的方法散熱。1

我國的神舟系列飛船采用了自主研制開發(fā)的以燒蝕防熱為主、以輻射式防熱和隔熱為輔的防隔熱材料體系。采用先進(jìn)的防隔熱材料技術(shù)給返回艙穿上一層25毫米厚的“防熱衣”，防熱材料在巨大熱流的作用下，自身分解、熔化、蒸發(fā)、升華，在消耗表面質(zhì)量的同時帶走大量的熱，材料分解形成密實外殼向外輻射熱量，并且內(nèi)部未燒蝕的隔熱區(qū)域，起到阻止熱量進(jìn)入返回艙的作用。以上因素共同決定了燒蝕防熱材料具有良好的熱防護(hù)功能，可使飛船內(nèi)部溫度控制在30攝氏度左右。1

降落傘返回艙在降落過程中，至少要“打”三把傘——引導(dǎo)傘、減速傘、主傘，共三把傘。如有必要,還有第四把傘——備份傘。中國神舟六號降落傘主傘的面積為1200平方米,全長達(dá)70多米，傘衣有20多米長，疊起來卻只有一個手提包大小，重量僅90多公斤。動力裝置 返回艙本身無動力，但飛船的樣子是由兩部分組成，前面一個小一些的椎體是返回艙，而后面還有一個較大的柱體可以稱其為服務(wù)艙，哪里有動力等很多裝置。當(dāng)要返回時動力裝置使飛船減速就可以使飛船以螺旋狀軌道回到地面。當(dāng)進(jìn)入返回軌道后這兩部分就會分離。

著陸方式返回艙承載了宇航員及大量的精密試驗儀器，返回艙的成功回收是載人航天工程中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。返回艙在返回地面的過程中，一般都采用降落傘來降低其著陸速度。由于受降落傘的設(shè)計著陸速度限制，載人航天返回艙在陸地上的著陸速度一般為6-7m/s，而對無人返回艙可達(dá)10-14m/s。返回艙以這樣大的著陸速度著陸時會在著陸瞬間產(chǎn)生很大的沖擊，對艙內(nèi)宇航員及儀器設(shè)備造成較大影響。2

返回艙著陸沖擊系統(tǒng)包括返回艙和著陸場地面兩部分。3返回艙的著陸沖擊過程主要得到以下結(jié)論：

（1）返回艙大底上遠(yuǎn)離落點位置達(dá)到應(yīng)力峰值的時間相對落點位置有所滯后，同時落點處的應(yīng)力值隨著陸速度的變化較小，而距落點較遠(yuǎn)的位置則隨著陸速度的變化幅度較大；（2）從加速度響應(yīng)看，由于大底的緩沖作用，大梁上的加速度響應(yīng)峰值大底上有明顯減小，且加速度響應(yīng)值在40-80Hz頻率范圍內(nèi)較大；（3）從沖擊能量的分配情況可以看出，著陸地面是沖擊能量吸收的主體，而大底則是返回艙上最主要的吸能部位，在返回艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)充分發(fā)揮大底的緩沖作用。2

海面著陸返回艙入水后將自動釋放出染色劑，把周圍海水染為熒光色，并及時發(fā)出GPS定位信號，方便救援人員在海上快速發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。降落的返回艙根據(jù)其技術(shù)和使用特性(密封性、飄浮性、攜帶有生保設(shè)備等)能夠保障航天員長時間生存在其中。當(dāng)返回艙濺落在海面上時，航天員為生存進(jìn)行的活動包括：選擇適宜返回艙停留的地點和停留姿態(tài)；使用艙載無線電系統(tǒng)與外界聯(lián)系；利用返回艙內(nèi)的應(yīng)急物品；著航天服或潛水衣離開返回艙。航天員離開返回艙后漂游時進(jìn)行的活動包括：建造救生筏以便乘員組集體行動；給潛水衣充氣；食用便攜式應(yīng)急裝備內(nèi)的食物和水；使用應(yīng)急無線電及光學(xué)信號設(shè)備同外界聯(lián)系；向搜索救援直升機(jī)或艦船靠近。當(dāng)返回艙飄浮在水面上，而換氣孔關(guān)閉時，如果返回艙內(nèi)的溫度和氣體成分在允許的范圍內(nèi)，那么為了保障安全，航天員留在返回艙內(nèi)更為合適。除非萬不得己，航天員不會離開返回艙。美國“水星”“雙子星座”和“阿波羅”系列載人飛船均選擇海上回收。3

地面著陸當(dāng)返回艙降落在沙漠上時，航天員應(yīng)利用返回艙和降落傘建造防風(fēng)沙掩體。冬季，當(dāng)返回艙降落在森林沼澤地或凍土地時，航天員應(yīng)利用返回艙與其他器材建造防寒掩體。

著陸過程載人飛船完成預(yù)定任務(wù)后，載有航天員的返回艙要返回地球，整個返回過程需要經(jīng)過制動離軌、自由下降、再入大氣層和著陸4個階段。4

制動離軌段飛船通過調(diào)姿、制動、減速，從原飛行軌道進(jìn)入返回軌道的階段稱制動離軌段。返回前，飛船首先要調(diào)整姿態(tài)，使飛船在水平方向逆時針轉(zhuǎn)動90°，由軌道艙在前、返回艙居中、推進(jìn)艙在后的狀態(tài)變?yōu)闄M向飛行狀態(tài)，這是飛船的第一次調(diào)姿。緊接著，軌道艙與返回艙以每秒1～2米的相對速度分離，軌道艙留在太空軌道繼續(xù)運(yùn)行，這就是軌道艙分離。此時，飛船變成了推進(jìn)艙和返回艙的組合體。如右圖。兩艙組合體繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)過90°，變成推進(jìn)艙在前、返回艙在后的飛行狀態(tài)，同時再調(diào)整俯仰角達(dá)到制動要求，這是飛船的第二次調(diào)姿。飛船推進(jìn)艙上的發(fā)動機(jī)點火工作，產(chǎn)生與飛船飛行方向相反的作用力，使飛船飛行速度降低，從而脫離原飛行軌道進(jìn)入返回軌道，這個制動過程可比喻為“剎車”。4

自由下降段飛船從離開原運(yùn)行軌道到進(jìn)入大氣層之前，空氣阻力很小，主要是在地球引力的作用下呈自由飛行狀態(tài)，因此，這個階段稱為自由下降段或過渡段。在這個飛行階段，飛船按照計劃要完成推進(jìn)艙分離、建立再入姿態(tài)等重要飛行事件。其中，推進(jìn)艙在與返回艙分離后，會在進(jìn)入大氣層后燒毀。返回艙建立正確的再入姿態(tài)角（速度方向與當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角）是一項重要的工作，這個角度必須精確地控制在一定的范圍內(nèi)，如果角度太小，飛船將從大氣層邊緣擦過而不能返回；如果角度太大，飛船返回速度過快，將像流星一樣在大氣層中被燒毀。4

再入段從返回艙進(jìn)入稠密大氣層到其回收著陸系統(tǒng)開始工作的飛行階段稱為再入段。飛船返回時從離軌時的真空環(huán)境再次進(jìn)入大氣層，這個階段稱為再入段。再入大氣層的高度一般為80～100千米。返回艙進(jìn)入稠密大氣層后，承受氣動加熱和再入過載，是返回過程中環(huán)境最為惡劣的階段。隨著高度的降低，空氣密度越來越大，返回艙與空氣劇烈摩擦，使其底部溫度高達(dá)數(shù)千攝氏度，返回艙周圍被火焰所包圍，因此，對返回艙要采取特殊的防熱措施。返回艙下降到一定高度時，接收不到地面發(fā)送的無線電信號，地面也接收不到返回艙發(fā)送的無線電信號，因此，這個區(qū)域被稱為無線電“黑障區(qū)”。當(dāng)返回艙軸向過載達(dá)到規(guī)定指標(biāo)時，返回艙實施升力控制，使返回艙過載不超出航天員所能承受的范圍，并且用升力控制來控制返回艙落點位置，使返回艙返回預(yù)定著陸場。4

著陸段返回艙從打開降落傘到著陸這個過程稱為著陸段。隨著高度的降低和速度的減小，返回艙所受到的氣動阻力與地球引力漸趨平衡，返回艙以大約每秒200米的均速下降。但如果返回艙以這個速度沖向地面，后果將不堪設(shè)想，所以必須使返回艙進(jìn)一步減速。在距地面10千米左右高度，返回艙的回收著陸系統(tǒng)開始工作，先后拉出引導(dǎo)傘、減速傘和主傘，使返回艙的速度緩緩下降，并拋掉防熱大底，在距地面1米左右時，啟動反推發(fā)動機(jī)，使返回艙實現(xiàn)軟著陸。為增加著陸的可靠性，返回艙上除裝有主降落傘系統(tǒng)外，還裝有面積稍小的備份降落傘系統(tǒng)。一旦主降落傘系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可在規(guī)定高度應(yīng)急啟用，使返回艙安全著陸。4