欢迎您光临上海凯泰医疗科技有限公司!

为什么飞船能够从太空安全回家?

时间:2020-03-26 16:32

2002年12月30日,中国成功发射了“神舟”四号飞船。那么,你可知道为什么飞船能够从太空安全回家呢?

2003年10月15日,中国第一位航天员杨利伟乘坐“神舟五号”载人飞船,在太空飞行了21小时23分钟之后顺利返回地球。飞船返回舱在内蒙古四子王旗着陆。

为什么在太空中高速飞行的载人飞船还能够回到地面呢?这个过程可不像我们坐飞机降落,只要系紧安全带那么简单。飞船返回地面要经历一系列复杂的过程,需要应对与大气高速摩擦产生的高温和振动等一系列问题。

“神舟”飞船在轨道上运行的速度高达7.9千米/秒,要想进入大气层,首先要做的就是制动:制动发动机开始工作,使飞船的轨道高度不断降低,降低到一定高度后,飞船调姿,进入返回姿态,然后返回舱与轨道舱、推进舱分离,开始进入大气层。飞船的减速过程和进入大气层的轨道是经过精确计算的,要求非常精确,必须在特定高度以合适的“再入角”进入大气层。如果再入角过陡,会导致返回舱进入大气层的速度过快,发生剧烈摩擦而烧毁;如果再入角过于平缓,又会像打水漂的瓦片一样被大气层“弹”回外层空间,很可能再也无法返回地面。1965年,首次实现太空行走的苏联航天员列昂诺夫在返航时,就险些错过最佳再入角,幸好及时调整到位,避免了危险。

你一定看到过闪光的流星划过夜空吧!流星之所以闪光,是因为它以很大的角度高速飞入大气层时,和空气摩擦生热而燃烧起来。同样的道理,当飞船进入大气层时,其速度仍达几千米每秒。与越来越稠密的大气层摩擦,会使得飞船外壳的温度达到1000℃以上,普通材料难以承受这样的高温。

为了解决这个问题,载人飞船的设计师采取了一系列措施。1920年,航天先驱戈达德就提出了双层隔热板的概念。他认为“返回物的表面覆盖一层抗高温(不易变质及难熔化)的物质后盖上一层不太导热的耐高温物质,这样返回物的表面就不会受到太多的侵蚀”。比如,航天飞机机身各处就根据所处环境的不同,配置了4种防热瓦,保护机身温度不致太高。“神舟”系列飞船和俄罗斯的“联盟”系列飞船都是一次性飞船,它们采用的是在返回舱的表面涂上特殊烧蚀材料做成防热层的方法。防热层用的是高分子材料,能在短时间内耐高温。“神舟”飞船采用的是石棉、玻璃与酚醛掺和形成的复合材料,其返回舱表面积有22.4平方米,防热材料总质量约500千克。飞船进入大气层时,防热层表面部分在热流作用下会发生分解、熔化、蒸发、升华等物理和化学变化,带走大量的热,以减少传入飞行器内部的热流。多种防热层可以使返回舱内部最高温度不超过30℃,从而保证航天员平安穿过大气层。

控制着陆速度是载人飞船安全回家面对的又一难题。一些科幻电影里陨石撞击地球的场面大家都看过,陨石以极快的速度撞击到地球表面,往往会砸出特别深的一个坑。飞船到了距离地面10千米左右高空时,速度虽然已经降到330米/秒以下,但以这样的速度与地面撞击,飞船和航天员还是承受不了的。

怎么办呢?聪明的你一定想到了:采用降落伞。“神舟”飞船是“打着3把伞”回家的,它们分别是引导伞、减速伞和主伞。为什么要设计这么多的伞而不是只有一个主伞呢?这是为了避免“刹车”太急,速度降得太快,产生过高的过载,航天员受不了。返回舱上的静压高度控制器会通过测量大气压力判断高度,自动弹开伞舱盖,3把伞渐次打开,将飞船的速度逐步降下来。“神舟”飞船返回舱的主伞面积有1200平方米,打开后返回舱的降落速度会降到8~10米/秒。

即使这样,“神舟”飞船返回舱在着地时,所产生的冲击力还可能使航天员的脊柱受损。这时就要靠飞船的另一个法宝了。它就是安装在返回舱底部的4台着陆反推火箭。它们会在飞船马上要降落到地面时点火工作,再给返回舱一些向上的推力,使得返回舱落地的速度不超过2米/秒。为了确保航天员的安全,航天员座椅安装了缓冲装置,还量身定做了缓冲坐垫。

由直升机和车队组成的搜救小组会早早地在预计的着陆地点就位,等待返回舱。返回舱降落伞打开后,直升机会迅速赶过去。万一着陆位置偏差较大,返回舱会向外发射救援信号,通知搜救小组确切位置。返回舱落地后,其顶端的闪光灯不断发出白色的闪光,它能连续闪光25小时呢。假如落在海里,飞船上配备的染色剂会把周围的海域染成绿色荧光区,便于飞机搜索。