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中美飛船同日返回:神舟飛船只開1個主傘,為何美國飛船有4個傘

2024-05-05科技

在4月30日,有2艘飛船在同一天從太空成功返回地球,其中一艘就是中國的神舟十七號載人飛船,另一艘則是美國的貨運「龍」飛船。這兩艘飛船此前都是和空間站對接,在從空間站組合體撤離後,也是經過一系列的制動減速、再入大氣層、開啟降落傘,然後降落到著陸點。

這兩艘飛船在返航過程中有2個不同之處。其中一個不同之處就在於神舟十七號飛船在陸地的東風著陸場著陸,而貨運「龍」飛船則是濺落到佛羅裏達州附近海域。

在陸地降落還是在海面降落,其實沒法說明哪個技術更加先進,而是根據自己的實際情況決定的。美國的載人飛船在海面降落,可以借助海水的緩沖來吸收沖擊時的能量,返回艙底部就不需要安裝反推發動機。美國的基地遍布世界各地,當飛船濺落到海面時,他們的艦艇可以快速抵達展開搜救工作,這應該是美國為什麽選擇在海上著陸的原因。

而神舟載人飛船在陸地降落,陸地比較硬,返回艙傘降過程中速度還是有點快,所以在即將著陸那瞬間,飛船返回艙底部的反推發動機就會啟動,給返回艙提供一個向上的推力,讓飛船返回艙以更小的速度著陸。單純從這裏來看的話,有反推發動機進行最後的制動減速要更厲害一些,畢竟這4台反推發動機需要在精準的高度同時啟動,還是相當有難度的。

另一個不同之處在於神舟飛船著陸傘降過程中是有一個降落傘,而美國的龍飛船則是有4個傘。哪個更好呢?

神舟飛船其實不止一個傘

對於神舟載人飛船、龍飛船、聯盟號飛船來說,在返航過程中降落傘是起到至關重要的作用,因為在返回地球時,這些飛船需要從超過7公裏每秒的速度下降到1-2米,然後安全著陸。以神舟十七號飛船為例,從太空重返地球大氣層到著陸,整個過程只持續50分鐘左右,需要在這麽短的時間內完成減速,所以就需要采取一系列的措施,開啟降落傘就是其中一個重要的環節。

神舟十七號飛船返回艙在穿過「黑障區」後,高度繼續下降,當返回艙下降到距離地面差不多還有10公裏時,返回艙的回收著陸系統就會開始正式啟動三級開始程式:也就是依次開啟引導傘、減速傘、主傘。其實,神舟飛船返回艙也是有3個傘的,不過這3個傘都不同。

第一步是傘艙蓋自動彈出,釋放出引導傘,隨後引導傘就會拉出減速傘,此時在減速傘的作用下,返回艙的速度繼續下降,再過幾十秒後,減速傘就會和返回艙分離,然後拉出主傘,這是傘降過程中最重要的一步。因為引導傘、減速傘都很小,而主傘的面積相當大,達到1200平方米。最終在主傘的減速下,能夠讓返回艙下降的速度從200米每秒下降到8米每秒左右。

當然,對於飛船來說,以7-8米每秒的速度從天而降,沖擊力還是比較大的,可能會對飛船內的航天員造成損傷。所以,在距離地面還有1米時,安裝在返回艙底部的4台反推發動機就會同時啟動,產生巨大的反推力完成最後階段的制動減速,讓返回艙以1-2米每秒的速度落地,減輕飛船著陸時的沖擊力。

相信很多朋友都看到過神舟飛船返回艙傘降著陸的過程,一個巨大的降落傘拖著返回艙慢慢下降。事實上,神舟載人飛船並不只有這麽一個主傘,還有一個備份降落傘。如果在著陸過程中,主傘因為故障或者其他原因沒法正常啟用,那備份傘就會開始應急啟用。

研究人員表示,當返回艙從6公裏的高度向5公裏下降過程中,如果用時少於預定的時間,那就說明了返回艙下降的速度比正常開傘降落的速度快,這樣的情況下系統就會判定主傘系統工作出現了異常情況,就會切斷主傘,然後自動啟動備份傘,開啟備份傘完成飛船的減速過程,確保返回艙安全著陸。

美國飛船有4個降落傘

相信很多朋友也看到過美國載人龍飛船返航時的畫面,從畫面中,載人龍飛船外部也是被燒得黑不溜秋,這也說明了載人龍飛船在返航過程中一樣要經受1000-2000℃高溫的灼燒。

而在著陸的最後階段,載人龍飛船會開啟4個降落傘,緩緩下降後降落到大海。神舟載人飛船開啟一個主傘就會完成減速,然後降落到著陸場,為什麽美國的載人飛船要使用3-4個傘呢?

有一說一,單個傘降落的情況下有時候可能會出現搖擺的情況。在返回傘降過程中,會受到風力等客觀因素的影響,相信很多朋友也看到神舟十七號飛船在傘降過程中就出現了搖擺。如果著陸過程中橫風比較大的的話,搖擺的情況可能會更厲害。對於航天員來說,體驗可能不會很高。

這是單個傘降落過程中可能會遇到的情況,而有3-4個傘組成的群傘就不存在這個問題,飛船返回艙的下降會相對穩定一些。當年美國的阿波羅飛船返回艙使用的是3個傘,載人龍飛船在一開始測試的時候也是使用3個傘,後來改用4個傘。采用群傘降落的飛船還有一個特點,由於傘比較多,每個傘其實都是相互備份的,所以沒有專門配備另外的備份傘。

雖然美國的龍飛船使用的是4個傘的群傘降落,但是美國的技術還是存在一些缺陷,多次出現有降落傘沒法開啟的情況。例如2022年1月23日,執行CRS-24任務的「龍」貨運飛船在返回過程中,只有3個傘是正常開啟的,另外一個傘的開啟出現了延遲,不過這艘飛船還是成功降落。

在更早些時候,美國飛船返航時也出現過類似的情況,當年阿波羅15號飛船返航時也出現有一個傘沒有開啟的情況。這其實也說明了群傘降落還是比較復雜的,因為多個傘在開啟的過程中,可能會相互幹擾,傘繩比單傘更容易纏繞。

我們的神舟載人飛船采用單個傘降落,並不是說我們的技術不如美國,我們其實也在發展群傘降落的技術,也取得了成果。不過現在不會使用到神舟飛船上,因為如果采用新的傘降方式,需要對飛船進行大改,未來新一代載人飛船會使用到群傘降落的方式。

飛船到底是采用單傘還是群傘降落,其中一個原因和飛船的重量有關系。重量比較輕的飛船一般都是采用單傘的,重量比較大的飛船一般都采用群傘。神舟載人飛船返回艙的重量大概是3噸左右,單傘其實已經夠用了。

現在我們正在研制新一代載人飛船,與神舟載人飛船相比,新一代載人飛船的重量更大,重量超過20噸,可以執行載人登月任務,也可以執行空間站飛行任務,最多可以搭載6-7名航天員。

雖然新一代載人飛船還沒投入使用,但是在2020年5月5日,我們進行了新一代載人飛船試驗船返回艙的飛行測試,在2020年5月8日新一代載人飛船試驗船返回艙成功返回在著陸場著陸,在返航時就是采用群傘的方式。