從一天縮短到幾小時！神舟十三號成功返回地面，首次運用“快速返回技術”有多厲害？

dongchang 2022-04-17

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4月16日上午10時，神舟十三號載人飛船乘組在圓滿完成為期183天的空間站飛行任務后，在內蒙古四子王旗東風著陸場成功著陸，航天員翟志剛、葉光富、王亞平成功返回地面。

這是“神舟”系列飛船的第13次飛行，是中國實施的第8次載人航天飛行任務、第二次空間站飛行任務，創下了中國載人航天、空間站任務飛行時間最長、任務項目最多的紀錄。

飛船返回技術的發展

此次神舟十三號返回，有一個名詞一直在被提起：“快速返回技術”，所謂的“快速返回技術”，指的是神舟十三號飛船和空間站組合體分離后，將原本需要約20個小時才能完成的制動離軌段，縮減到短短4到5個小時完成，從而確保航天員能夠快速返回地面。

看起來無非是“20個小時”到“5個小時”的差別，但事實上“快速返回技術”和“快速對接技術”一樣，都屬于返回/對接技術的“進階”。那么，“快速返回技術”到底是怎樣做到的、人類歷史上的載人航天器，都是如何返回地面的呢？

在大伊萬的印象里，人類載人航天史上，先后出現了三代返回技術，分別是第一代的“飛船再入、彈射座椅返回技術”，第二代的“飛船再入、降落傘減速返回技術”、第三代的“軌道器再入、直接降落在機場返回技術”。

先說第一代返回技術，此代返回技術以蘇聯“東方”系列載人飛船為典型代表，主要技術特征和技術步驟是：飛船輸入導航參數，載人艙段和服務艙段分離，爾后建立再入姿態，進入高層大氣，利用大氣層實施氣動減速，待到達低層大氣后，航天員啟動彈射座椅彈射出艙，用降落傘降落到地面，飛船不繼續減速，而是撞地墜毀。

這種航天員返回技術相對簡單，比較適合蘇聯第一代載人飛船體積狹小、難以安排布置大型減速主傘的客觀情況，人類歷史上第一名航天員尤里加加林，就是采用這樣的方式返回地面的。但是，這種靠彈射座椅彈射、使用降落傘落地的方式，可靠性和安全性非常差，對飛行員的生理和心理都是相當大的挑戰。因此，很快就被全面淘汰了，只在美國的第二代載人飛船“雙子星”飛船上，作為備用的逃逸設備被保留了下來，但也從來沒有真正運用過。

而第二代返回技術，也即“飛船再入，降落傘減速返回技術”，分別被美蘇兩國運用在了自己的“水星”系列載人飛船（1962年2月實施首次地球軌道飛行）、“上升”系列飛船（1964年10月實施首次三人航天器飛行）上。所謂的“降落傘減速返回”，顧名思義，飛船實施制動離軌、多次調姿、推進艙和返回艙分離、建立再入姿態、穿過高層大氣，進入低層大氣后，航天員和飛船不分離，飛船上安裝大型減速傘，打開減速傘后，將飛船的下降速度降低到合適的區間，并完成著陸。

目前，中國的“神舟”系列飛船，俄羅斯的“聯盟-TM”系列飛船，美國的“載人龍”和已經退役的“阿波羅”系列飛船，均采用了這一著陸方式。當然在具體的著陸參數設置和部分設計細節上，以上飛船還是有相當大的不同的：

以美國而言，NASA設計的載人飛船偏好海上濺落，海上濺落的優勢是海水緩沖相對較好，可以相應提高飛船的再入速度，如載人登月飛船再入時，就必須選擇在海上濺落；

同時，海上濺落對飛船返回參數的選擇比較寬泛，可以選擇相對較大的著陸區，甚至不用擔心飛船落偏方向，在海上濺落時，飛船也不需要設計反推火箭等；

但是，海上濺落的劣勢是飛船抗浪性較差、遭遇大風大浪容易發生沉沒事故、給航天員生命安全造成威脅，如美國在“水星”計劃中，就出現過飛船濺落時莫名其妙地彈開了艙門、沉入大海最終沒有被打撈起來的問題，讓航天員加斯格里森差點丟了小命。

而中、蘇（俄）的載人飛船偏好陸地著陸，陸地著陸的優勢是安全性相對較好，不用擔心飛船進水沉沒的問題，也不用擔心海上搜救的問題。比較適合中、蘇（俄）等國海軍力量薄弱，對海域（對蘇聯來說是溫暖水域）控制權不足，但陸地面積相對廣大，部分地區地廣人稀的現狀（同時以海上著陸作為備用的返回方式）。

當然，陸地返回對再入速度的要求比較高，這就要求飛船必須實施有效的制動減速，增設反推火箭，盡最大可能降低著陸速度等。總的來說，“陸地著陸”和“海上著陸”無太大的區別，也沒有孰優孰劣之分，只能說中、蘇（俄）、美三國都選擇了適合自己的飛船回收方式。

“機場著陸”返回技術

盡管“飛船再入，降落傘減速返回”的技術，到“阿波羅”飛船和“聯盟”系列飛船階段已經完全成熟，但美蘇兩國在冷戰的大背景下，依然沒有放棄研發新一代載人航天器的著陸技術。這就是美國、蘇聯航天飛機軌道器采用的“機場著陸”返回技術：

以美國的航天飛機軌道器為例，在返回地面之前，經歷建立再入姿態后，需要在自動駕駛設備的協助下，在高空實施一個巨大的S型轉彎，這一S型轉彎將幫助飛機完成減速，從24馬赫降低到10馬赫，再進一步降速到3.5馬赫左右。

航天飛機再入過程的地面航跡示意圖

此時航天飛機軌道器的飛行高度大約為30千米，并脫離黑障區域，建立和地面的通聯，由正常的機場進近引導軌道器再實施一個S型轉彎，完成轉彎后，航天飛機軌道器將減速到亞音速，高度降低到2000米以下，最終使用正常的ILS著陸系統，在機場跑道上著陸。

降落美國加利福尼亞愛德華空軍基地的航跡示意圖

但相比波音737系列客機約135節的著陸速度，航天飛機軌道器的著陸速度一般高達200節以上，對著陸系統和跑道的要求要遠遠高于普通的大型客機。

“暴風雪”號航天飛機

此外，值得一提的是，相比美國的航天飛機軌道器采用無動力滑翔著陸的方式，蘇聯的“暴風雪”航天飛機軌道器，特地安裝了兩部RD-33型發動機，在測試狀態下可以讓它在大氣層中實施機動飛行，該型航天飛機軌道器也第一次初步具備了“空天飛機”的雛形。

但是，由于航天飛機系統的制造、使用、維護價格實在太高，高到遠遠超過了美蘇兩國的承受能力。同時，作為一個復雜系統，航天飛機的成熟度始終趕不上更加可靠的載人飛船，蘇聯解體后，“暴風雪”號航天飛機以極快的速度被丟進了垃圾場，而NASA在慘淡經營了許久后，也終于在先后墜毀兩架的情況下，選擇了放棄航天飛機軌道器，第三代載人航天返回技術變成了曇花一現。

“快速返回技術”

因此，目前最為先進的載人飛船返回技術，就是基于第二代“飛船再入、降落傘減速著陸”技術改進的“快速返回技術”。所謂的“快速返回技術”，主要“快速”在飛船的制動離軌階段，原有的飛船制動離軌階段，需要實施兩到三次變軌調姿、一次變軌減速，才能進入慣性滑行段。

按原有的返回程序，三次變軌調姿、一次變軌減速需要約15圈飛行、20個小時才能完成，從空間站撤離、到返回地面，大約需要1天時間，在這期間，由于飛船已進入返回階段，故而航天員必須被固定在座椅上，無法移動，甚至也難以進食，對航天員的生理有比較大的影響。

而在實施快速返回程序后，變軌調姿、變軌減速可以在4圈、6個小時左右就基本完成，從航天員撤離空間站，到返回地面，可以在不到10個小時內完成。比如此次神舟十三號飛行任務，凌晨0點44分飛船與空間站組合體分離，上午10時許飛船就已經著陸，前后花了9小時多一點的時間，這背后對飛船程控、地面遙測能力的提升，是顯而易見的。

盡管咱們的神舟系列飛船，已經實現了空間站快速對接、飛船快速返回，可以說是做到了當前載人飛船返回的最高水準。但是，未來如果我們要遂行載人登月任務，新的921載人飛船大概率要使用新的海上著陸技術，這對我們的載人航天返回技術提出了更高的挑戰。

同時，長遠來看，以航天飛機軌道器為代表的火箭發射、水平著陸返回技術，應當是未來航天飛行器返回技術的大趨勢，在這方面，咱們也已經有了許多有益的探索。也許在不久的將來，我們將首先完成第三代載人航天返回技術的實用化，就讓我們繼續關注中國載人航天的發展吧。