神舟十四号返回有多凶险？黑障屏蔽飞船信号，舱外温度高达2000度
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神舟十四号返回地球究竟有多凶险 ， 神舟飞船从距离地球400公里的地方 ， 需要精准的降落到东风着陆场 ， 难度堪比是“万里中10环” ， 我来给大家聊聊 ， 返回舱究竟是如何返回地球的 。
角度控制精准 ， 不然无法进入大气层
重返地球是一个高风险过程 。 航天器以7.8公里每秒的速度环绕地球运行 ， “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 。
返回舱的外形像一个上窄下宽的“大钟” ， 通过发动机的姿态调整 ， 以大底朝前的姿态升力式返回的方式返回地球 ， 返回舱要建立正确的再入姿态角(速度方向与当地水平面的夹角) 。 这个角度必须精确地控制在一定范围内 ， 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 。
不仅返回舱要采用舒适的返回姿势 ， 航天员也要以几乎与大底平行的角度在座椅中“平躺” 。 选择这样的姿势返回 ， 是为了更好缓解飞船减速过程中形成的冲击 ， 从而给自己带来更多保护 。
【神舟十四号返回有多凶险？黑障屏蔽飞船信号，舱外温度高达2000度】
这句话说起来很容易 ， 但是做起来却非常难 ， 飞船轨道设计团队需要精心设计了返回轨道方案 ， 加入了预测校正制导方法来帮助返回舱在再入过程中根据实时位置、气动参数、瞄准点偏差等来自主计算并维持再入轨迹 ， 以适应落点的变化以及轨道变化范围大的特点 ， 保证返回的“轨道”丝毫不差 。
整个返回过程复杂 ， 任何环节都不能出错 。 我们会看到 ， 神舟飞船的外形像一口大钟 ， 这些都是基于美国物理学家亨利艾伦的理论 ， 他发现高速再入大气层的航天器前端对空气产生强烈压缩 ， 在前方大气中形成一个伞状的激波锥 ， 激波前沿的空气密度急剧升高 ， 在航天器前面像一堵移动的墙一样 ， 航天器则在激波锥的尾流中前行 。 由于和前方静态空气直接接触的是激波锥而不是航天器本身 ， 气动加热主要由激波前沿和前方的静态空气之间的压缩和摩擦产生 。
如果航天器表面和激波前沿保持一定的距离 ， 气动加热所产生的热量将主要在空气密度较高的激波内传导和耗散 ， 航天器在周围宽厚的边界层保护下 ， 本身承受的热负荷就要小很多 。 于是 ， 降低航天器热负荷的一个重要途径就是使激波锥前移 ， 尽量远离航天器本体 。 根据这一发现 ， 亨利·艾伦提出航天器这个想法是 ， 如果返回舱的形状像钟形或圆锥形 ， 底部宽而圆 ， 当空气以20倍于音速的速度进入大气层时 ， 会在其前面产生伞形激波 。 除此之外 ， 还可以确保航天器在再入过程中不至于翻滚 ， 平底朝下的再入姿态可以产生最大的保护效果 。
2000度高温 ， 黑障屏蔽飞船信号
而在进入大气层之后 ， 考验并没有结束 ， 飞船返回舱会经历高温震动恶劣环境考验 。 根据计算 ， 从宇宙返回的航天器 ， 从高空下降到达离地面60~70公里时往往还有20倍声速 ， 舱外温度最高可达2000度 ， 返回舱外部必须使用避火衣避免其烧毁 。
即使有避火衣的防护 。 但因为空气密度越来越大 ， 返回舱与空气剧烈摩擦 ， 使其底部温度高达上千摄氏度 ， 返回舱周围被火焰所包围 ， 舱内会出现震动噪声过载的现象 ， 在空间中的6个月 ， 对航天员的身体造成了极大的损耗 ， 高温震动恶劣环境会对航天员身体造成极大负担 。
在降落过程中 ， 由于气动加热 ， 贴近返回舱表面的气体分子被分解和电离 ， 形成一个等离子层 。 由于等离子体具有吸收和反射电磁波的能力 ， 因此包裹返回舱的等离子体层 ， 实际是一个等离子电磁波屏蔽层 。 所以当返回舱进入被等离子体包裹状态时 ， 舱外的无线电信号进不到舱内 ， 舱内的无线电信号也传不到舱外 ， 一时间 ， 舱内外失去了联系 ， 这就是黑障现象 。
在这个过程中 ， 地面无法通过任何遥控方式对飞船进行控制 ， 依靠飞行器对状态进行全自动处理 。
黑障的范围取决于再入体的外形、材料、再入速度 ， 以及发射信号的频率和功率等 。 黑障给载人飞船再入返回时的实时通信和再入测量造成困难 ， 目前尚无很好的解决办法 。
降落伞降落 ， 10毫秒同时点火
最后就是利用降落伞降落 ， 飞船返回舱的落点精度不主要取决于降落伞 ， 因为飞船使用的降落伞属“无控伞” ， 是会随风漂移的 。 主要决定落点精度的其实是“开伞点” ， 就是返回过程中打开降落伞时 ， 返回舱所处的空间位置 ， 目前在这一领域我们已经做到了世界领先 ， 因为我们创新了“自适应预测制导技术” 。
其中 ， 系统中“导航”负责给出当前返回舱的位置、速度和空间方位 ， “制导”负责提供到达“开伞点”的方法 ， “控制”负责执行 。
飞行过程中偏差多、偏差大 。 比如返回舱的初始位置、速度、姿态偏差 ， 气动力系数、发动机推力、返回舱质量等动力学和控制偏差 ， 以及大气密度等环境偏差 。
其次 ， 有效控制时间短 ， 仅有350秒的时间 ， 且过程中动力学复杂 ， 最后降落的时候 ， 我们要知道舱体距离地面10公里左右时 ， 飞船的速度已经降到每秒330米以下 ， 这时返回舱上的静压高度控制器通过测量大气压力自动判定所处高度并开伞减速 ， 将返回舱速度逐步降到每秒7米左右 。
然而返回舱仍具有很高的速度和较大的动能 ， 这种速度下产生的“硬碰硬”撞击 ， 极有可能会对航天员的脊柱造成损伤 。
所以 ， 返回舱会在距离地面1米时悬空急停 ， 安装在返回舱底部的4台着陆反推发动机自动点火 ， 并以极强的缓冲力助其实施“软着陆” 。 虽然反推发动机个头不大 ， 但点火时能产生３吨向上的推力 。 返回舱着陆时 ， 4只共产生1２吨向上的推力 ， 抵消了大部分返回舱的动能 ， 从而达到减速目的 。 同时通过返回舱底部的由吸能外壳、减振材料和座椅缓冲机构组成的减振系统进一步吸收能量 ， 从而保证航天员绝对安全着陆 。
为了保证航天员和返回舱内设备的安全 ， 4台着陆反推发动机必须在10毫秒内同时点火 。 这样 ， 返回舱返回才算宣告圆满完成 。
很多科学家说 ， 飞船飞天要比返回容易 ， 返回过程中必须要做到分毫不差 ， 只要有一点偏差 ， 代价就会是航天员的生命 。
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