神舟十二号 白昼流星!神舟十二号22马赫高速再入,硬扛上千度高温灼烧( 三 )


1.制动减速段 , 此阶段有两次调姿与一次制动减速;
第一次调姿飞船由轨道舱朝前姿态逆时针转动90度 , 此举旨在为轨道舱与返回舱分离创造安全的分离条件 , 轨返分离前轨道舱还需要执行泄压操作 , 以防止其在后续运行过程中出现意外 。
第一次调姿
轨道舱与返回舱分离
轨返分离后进行第二次调姿 , 推进舱与返回舱组合体继续沿逆时针方向转动90度 , 建立推进舱朝向前进方向的飞行姿态 , 此举旨在为制动减速创造条件 。
第二次调姿
第二次调姿完成后就是制动减速 , 2500N变轨发动机点火产生与飞行方向相反的作用力 , 使飞船飞行速度减慢 , 进而由工作轨道进入到“再入轨道过渡段” , 相当于太空刹车 。
太空刹车
2.再入轨道过渡段;
飞船由工作轨道减速制动进入再入轨道后 , 由于此一阶段仍然处于真空环境 , 飞船仍按天体力学规律自由飞行 , 因此将制动减速点火结束点至大气层顶点飞行段称为“再入轨道过渡段”或“惯性滑行阶段” 。
当飞船高度下降至约145公里时推返组合体再次调姿 , 最终建立返回舱朝向地球一侧姿态 , 此举旨在为推进舱与返回舱分离创造安全条件 。
推返组合体调姿 , 返回舱朝向地球
推返分离后推进舱没有再入热防护措施因此它将在之后再入大气层过程中烧毁 , 返回舱随后在约120公里高度时基于姿控动力再次调姿建立大底朝前再入姿态 。
【神舟十二号|白昼流星!神舟十二号22马赫高速再入,硬扛上千度高温灼烧】
返回舱姿态调整 , 建立配平攻角
返回舱与推进舱分离后有一项非常关键的操作 , 即建立“配平攻角” , 配平攻角指的是飞船速度矢量与返回舱纵轴的夹角 , 通过对夹角的控制实现升力控制 。 角度如果过大 , 再入热流数值将超过设计指标航天员承受的过载值将超标 , 同时返回舱也面临再入烧毁的险况 。 角度如果过小 , 飞船将与地球擦肩而过 , 两种情况皆对航天员的生命安全构成重大挑战 。
神舟飞船返回舱单点稳定设计就能够从源头上遏制上述危险情况的出现 , 所谓单点稳定指的是拥有唯一配平点 , 即便返回舱初始再入攻角有所偏差也能在与大气作用的过程中回调至正确的配平攻角 。
这又是怎么做到的呢?靠的就是返回舱舱门周围的两个稳定翼片 , 俗称“稳定耳片” , 去年完成月球采样返回任务的嫦娥五号返回器也采用了同类设计 。
神舟十二号返回舱稳定翼片
嫦娥五号返回器稳定翼片
与唯一配平点对应的是非唯一配平点返回舱 , 比如服务载人登月任务的新一代载人飞船 , 为了获得冗余更大的返回窗口 , 新飞船返回舱采用了倒锥体构型 , 使得返回舱拥有更强的再入机动能力 , 劣势是不再有唯一配平点 , 办法是通过推力更强的姿控动力建立配平攻角 。
新一代载人飞船试验船返回舱
在再入轨道过渡段分离推进舱后视频画面传输中断 , 这是因为飞船建立天地链路的大功率天线配置在推进舱 , 此时就只有语音通信 , 不过这并不影响遥测数据的传输 。
3.再入段;
返回舱高度下降至100公里左右时进入“再入段” , 随着高度持续降低 , 大气密度也持续增大 , 舱体与大气的摩擦也越剧烈 , 返回舱需要承受的再入热流值也越大 。
此时返回舱舱外是上千摄氏度极高温 , 舱内却是二十多摄氏度的正常室温 , 这是因为防热烧蚀材料吸收了大部分热量 , 同时在进入大气前舱内热控系统也进行了预冷 , 其对控制舱内温度的作用也十分关键 。
神舟飞船返回舱“烈焰战袍”:高速再入热流烧蚀
航天器再入大气层虽然险象环生 , 但大气层的存在也为载人天地往返提供了极大的便利条件 , 因为它就是天然的减速场 。
再入段也可以称为“气动减速段” , 这也是一个将动能转换为热能的过程 , 它可以将飞船再入速度由7.6公里/秒(超过22马赫)消减至200米/秒 , 承担了90%以上的减速任务 。
在高超音速再入过程中返回舱与大气的剧烈摩擦会使得返回舱周围包覆一层等离子气体 , 它可以阻断无线电信号的传输 , 此时地面与航天员无法正常通信 , 主要通过地面遥测设备对飞行轨迹进行跟踪 , 此一过程被称为“穿越黑障区” 。
红外光学设备可以在返回舱穿越黑障区时连续稳定跟踪其再入状态 , 在黑白图像中我们可以看到返回舱就如同流星一样划破长空 , 再结合昼间环境 , 那就是“白昼流星”!

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