在返回艙觸地的一瞬間,受力多少呢?

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神舟13號回來了。看著很是激動同時又很好奇:在返回艙觸地的一瞬間,受力多少呢?整個返回過程航天員是哪個階段承受加速度最大?

答:

返回艙的再入返回過程非常複雜,為了回答以上兩個問題,請允許我較為詳細的介紹一下航天器返回的幾個階段。(PS:最後一段對問題的回答進行了總結)

環繞地球執行的飛船,脫離原來的執行軌道,並轉入進入大氣層的執行軌道,須經歷 制動段進入軌道過渡段 兩個階段。該過程中航天器進行姿態調整,改變速度大小和方向,為進入大氣層做準備。如下圖所示,過渡段的軌道與地球稠密大氣層的上界相交於E點,E點即是過渡段的終點。

制動段和過渡段 | 圖引自參考資料[3]

進入段 ,返回艙以高速進入大氣層,對迎面的大氣猛烈壓縮並與之摩擦,表面溫度急劇升高,返回艙速度下降,這是進入過程中環境最複雜惡劣的一段。而後,開始採用降落傘減速,這一段稱為 下降段 。以神舟號飛船為例,在離地10km時,傘艙蓋彈出,拉出導引傘,隨後面積較小的減速傘開啟,將返回艙的速度由每秒兩百多米降至每秒數十米;在8km高度,減速傘與返回艙分離,面積較大的主傘開啟,垂直速度逐漸降至8m/s左右。最終的一段稱為 著陸段 ,在離地1m處,著陸反推發動機點火工作,再次制動,返回艙以3m/s左右的垂直速度落地實現軟著陸。

下降段降落傘減速 | 圖片源自網路

整個返回過程中,航天員承受的加速度(過載)主要有以下幾個部分:

氣動減速過載。航天器的返回方式可分為彈道式(升力很小)、半彈道式(升力與阻力的比值小於0.5)和升力式(升力大於阻力,如太空梭)。美蘇最初的載人飛船返回艙採用彈道式返回,最大過載在10g左右。而半彈道式返回由於最大過載低、落點控制更加準確,因此之後被廣泛採用。神舟號飛船即採用此方式返回,其最大過載為3.22g。

開傘衝擊過載。開傘過程中會突然減速,產生過載。最大開傘衝擊過載不大於5g,過載大於3.5g的時間小於等於0.5s。採用多級開傘的方式,有效降低了過載。新一代的載人航天器,還會採用可控滑翔傘技術、甚至不需降落傘的發動機減速,這樣,下降段的過載會進一步降低。

著陸衝擊過載。著陸方式有海上濺落、氣囊緩衝著陸、反推發動機著陸、著陸腿著陸等方式。神舟號飛船採用反推發動機著陸,著陸時,返回艙的衝擊過載在20g到50g之間。藉助於返回艙底部緩衝結構和座椅緩衝系統的緩衝,航天員承受的衝擊過載為10g左右(胸-背部方向)。

返回艙構型、佈局及著陸方式 | 圖引自參考材料[5]

總體來說,加速度最大的過程是著陸的瞬間衝擊過程,此時航天員(按60kg計算)瞬時受衝擊力約為6kN;返回艙(按3t計算)衝力估計在10^6N量級。另外,火工品(點火裝置、爆炸分離裝置等)工作時也會帶來瞬間的衝擊。返回過程中各個階段過載的降低,是許許多多的科學家在大量的設計、測試和改善後得來的。在未來,回收著陸系統還會為越來越多的航天員的安全和健康保駕護航。

參考資料:

[1]李惠康.載人飛船回收著陸分系統簡介[J].載人航天,2004(02):27-30.

[2]戚發軔,張柏楠,鄭松輝,楊巨集,張慶君,白明生.神舟五號載人飛船的研製與飛行結果評價[J].航天器工程,2004(01):1-14.

[3]榮偉等編著.航天器進入下降與著陸技術[M].北京:北京理工大學出版社.2018.

[4]楊巨集等編著.載人航天器技術[M].北京:北京理工大學出版社.2018.

[5]朱光辰.載人飛船返回艙再入著陸力學環境防護技術改進[J].航天返回與遙感,2010,31(05):9-15.

by 小小羊