神舟13即将返回地面，首次采用新技术-资讯-知识分子

神舟13即将返回地面，首次采用新技术

2022/04/15

导读

撰文｜庞之浩（全空间探测技术首席科学传播专家）

据悉，在中国空间站生活和工作半年之久的神舟13号乘组，将于近日择机返回地面。飞船返回地面不是一件容易的事，它要由载人飞船系统、航天员系统、测控通信系统和着陆场系统等多个系统共同完成，技术较为复杂。此次神舟13号飞船返回地面将首次采用新技术——快速返回方案。

飞船返回四阶段

简单而言，飞船返回地面是飞船脱离原来的飞行轨道，沿一条下降的轨道再入地球大气层，通过与空气摩擦减速，安全降落到地面上的过程。神舟13号飞船的返回可分为以下四个阶段。

第一阶段是制动减速阶段。要使飞船返回地面，必须降低飞船的飞行速度，改变飞行方向，使其脱离原来的飞行轨道，进入下降飞行的轨道。

具体过程是，神舟13号飞船在太空中运行最后一圈时，地面向飞船发出指令，使飞船调整姿态，相对前进方向向左偏航（逆时针转）90°，变成横向飞行状态，这是第一次调整姿态；紧接着，飞船的轨道舱与返回舱以1～2米/秒的相对速度成功分离；然后，返回舱与推进舱组合体再向逆时针方向转90°，使推进舱朝前，这是第二次调整姿态；此时飞船推进舱上的发动机点火工作，使组合体降低速度；制动结束后，组合体顺利进入返回轨道。

第一次调姿

轨道舱与返回舱分离

第二次调姿

太空刹车

第二阶段是自由滑行阶段。进入返回轨道后，返回舱与推进舱组合体以无动力飞行状态自由下降。当返回舱与推进舱组合体高度降至距离地面145千米时，推进舱和返回舱分离，推进舱在大气层中烧毁，返回舱继续下降，并消除由于两舱分离时产生的返回舱姿态分离干扰，建立正确的再入姿态角（速度方向与当地水平面的夹角），准备再入大气层。这个角度必须精确地控制在一定的范围内，一般为1.5°～1.7°，因为如果返回舱的再入姿态角太大，返回舱在再入大气层时会由于速度太快，而使最大过载超标，航天员身体承受不了，返回舱甚至会像流星一样在大气层中烧毁；如果再入姿态角太小，返回舱会从大气层边缘擦过，无法返回。

返回舱调整姿态示意图

返回轨道与再入角示意图

返回舱与推进舱分离示意图

第三阶段是再入大气层阶段。神舟13号飞船的返回舱在距离地面100千米时开始再入大气层。在距离地面80千米时，返回舱进入“黑障”区，使返回舱暂时与地面失去联系，直到在距离地球约40千米处时出“黑障”区，返回舱与地面的联系又恢复了。

返回舱再入大气层

再入大气层的过程中，从再入大气层到距离地球20千米高度期间，返回舱通过对飞船侧倾角的调整变化（配平迎角约为20°）来实现返回升力控制，使返回舱的过载不大于4g，而且可以比较精确地返回到着陆场。飞行高度约为20千米时，返回舱升力控制结束。

返回舱再入大气层示意图

基于动态适应和天基测控，在神舟13号飞船返回过程中以升力式作为返回手段，以预测制导作为控制方案，这样可以对运动姿态进行自主调整，特别是在以往返回任务中最惊心动魄的穿越大气层“黑障”阶段，返回舱的安全性和可控性可得到大幅提升。采用预测制导的自适应控制方案，能够使飞船返回在“黑障”过程中辨识空间环境对它的影响，实时制定出新的升力控制的策略。通过预测制导的方案，一是可以保证人员着陆的精度，另外保证了整个过程的安全性。

第四阶段是回收着陆阶段。在距地面约10千米时回收着陆系统开始工作。返回舱先打开伞舱盖，然后依次拉开引导伞、减速伞和主降落伞。其中减速伞把返回舱的速度从200米/秒减至60～70米/秒；在返回舱距离地球8千米时，打开主降落伞，把返回舱的速度由60～70米/秒减至5～6米/秒。另外，返回舱降到距地面约6千米时，主降落伞与返回舱的连接由单点倾斜吊挂转换成两点垂直吊挂，以便返回舱着陆时缓冲装置能够更好地发挥缓冲作用；返回舱降到距地面约6千米时抛掉了返回舱的防热大底，以便露出返回舱底部的反推发动机。在距地面1米左右时，返回舱底部的4台反推发动机点火，使返回舱以大约3米/秒的速度软着陆。

回收着陆分系统正常工作程序

主伞携带返回舱稳定下降

反推发动机点火

最值得关注的是，此前的“神舟”载人飞船在与空间站或空间实验室分离后，需要绕地球11圈才进入返回轨道，而神舟13号飞船将首次采用快速返回技术，即飞船与空间站分离之后，通过优化流程，压缩飞行程序，只需绕地球5圈就能进入返回轨道。此后飞船的制动、再入过程和以前一样，用40多分钟完成四个阶段的动作就可以安全着陆了。这样能明显提升航天员舒适性及任务实施效率。

早期的“神舟”飞船返回舱表面测控与通信分系统部分部件

返回舱安全着陆后其标位系统立刻开始工作，指示自己所在位置，以使搜索救援系统及时发现目标。标位装置包括无线电信标机、闪光标位器等，用于返回舱着陆后发出位置信息，标明返回舱着陆点所处方位。

另外，为了能快速而准确的找到返回舱，保证整个任务的成功和航天员的生命安全，航天五院510所新研制了国际救援示位标，它集定位信息获取、数据处理、编码调制发射于一体，具有高定位准确性，可实现紧急状态下救援的可靠性和实效性。返回舱落地后，国际救援示位标会发射无线电信标信号，犹如大海中明亮的灯塔指引着方向。这种信标信号符合国际通用标准，能够被遍布世界各地的全球海事卫星搜救系统所识别，从而确保搜救人员能够快速找到返回舱。

航天员和座椅。其中的座椅缓冲器和赋形垫子也用于缓冲。

再次用副着陆场

在返回舱着陆过程中，着陆场系统发挥着重要作用。该系统负责飞船返回舱的返回测量、搜索寻找和航天员的营救。

首先简介一下如何选择着陆场。它涉及到许多技术和社会问题，因为选择着陆场不仅要考虑发射场的位置、运行轨道倾角和高度、返回制动点位置、返回舱返回轨道和航天员的安全等，还与我国经度纬度覆盖范围、大陆的地形地貌地质、平原与山川的分布、海洋与国界的分布、气象、交通、陆上着陆海上溅落的搜救能力等极为相关。

东风着陆场

根据上述要求，经过大量的勘测、调研、分析和比较，我国最终选择了内蒙中部四子王旗地区作为主着陆场。考虑到气象相关性小、地势平坦开阔、返回机会多、测控设备可充分利用等因素，我国选择了距离主着陆场1000千米的酒泉卫星发射中心东南部地区为副着陆场，也叫东风着陆场。

从神舟12号起，我国“神舟”载人飞船的返回舱不再于过去常用的四子王旗主着陆场着陆，而是在副着陆场着陆，这是因为我国载人航天工程起步的时候，只研制了“神舟”飞船一种航天器。飞船的独立飞行时间只有7天，这种情况下需要设置主、副两个着陆场。我国进入载人空间站阶段后，飞船大多数时间是停靠在空间站上面。如果着陆场天气不好，可以让飞船晚点返回，所以就不需要设置主、副两个着陆场。

神舟12号飞船返回舱在东风着陆场着陆

另外，在空间站任务中，空间站的轨道高度会随着时间节点变化，为了降低空间站推进剂的消耗，没有为了飞船返回而调整空间站的轨道，由此飞船再入点不再是固定的了。东风着陆场的面积是主着陆场的10倍，选择在东西跨度更大的东风着陆场着陆，返回机会多，有助于着陆的成功。另外，“神舟”团队对返回轨道重新进行了适应性设计，使载人飞船返回高度从固定值调整为相对范围，并改进返回算法，提高了载人飞船返回适应性和可靠性。

空间站计划在轨运营至少10年，需要一支常态化应急待命搜救力量。东风着陆场离酒泉卫星发射中心比较近，在这里着陆能更好地依托酒泉卫星发射中心的人力资源和众多的测控、通信、气象、医疗、运输以及各种后勤保障设施，充分利用很多有利条件。所以，只需要组建一支小规模的专业搜救力量，就可以形成强大的搜救能力。从系统建设上来讲，在东风着陆场着陆，经费投入比较少，维持效果比较好，并且可以随时形成强大的搜救能力。

不过，由于东风着陆场位于沙漠和戈壁上，有山地等高凸或坑洼的地形，搜索救援难度比较高。

救生演练

在返回舱着陆过程之中和着陆之后，地面搜救工作举足轻重。目前，我国一般采用“空中搜救航天员，地面处置返回舱”的模式，这样可以实现“快速定位、快速到达、安全出舱”。因此，着陆场搜救通常包括空中搜索和地面搜索救援回收两个部分。

空中搜索直升机一般配置5架：指挥机1架，通信机1架，医监医保机1架，医疗救护机2架组成，它们均安装了“北斗”卫星导航定位系统，动态信息可实时传回北京航天飞控中心，主要负责返回舱搜索和航天员救援。

救援直升机

例如，返回舱出“黑障”后，直升机根据搜救指挥所给出的返回舱着陆点预报，利用机载定向仪搜索返回舱，利用超短波通信设备与航天员通话；返回舱抛防热大底后，直升机按照定向仪指示接近返回舱，确认发现目标后立即报告并降落至返回着陆现场，如返回舱落入危险地段，直升机需将返回舱吊至易于操作的地方，按预定程序开展现场前期处置，同时引导地面车辆向着陆点前进。航天员可以用卫星手机与北京搜救指挥室通话。

搜索方式在空间上形成重叠的三个层次：一是远距离搜索发现目标，在返回舱出“黑障”前，用雷达对返回舱进行跟踪测量，预报着陆点位置；二是中距离搜索发现目标，在返回舱出“黑障”后，利用统一S频段测量设备跟踪测量返回舱至主伞的开伞点，直升机甚高频定向仪接收信标信息并跟踪返回舱至落点；三是近距离搜索发现目标，以着陆点的预报位置为中心，用直升机定向仪和车载高频定向仪搜索寻找返回舱。

地面搜救特种车辆

在直升机搜救航天员的任务完成后，返回舱的处理和运送任务就交给由指挥调度车、工程运输车、航天员运输车、返回舱吊车和载荷运输车等特种车辆组成的地面搜索回收车队，他们负责现场返回舱后续处置和回收，按预定程序进行现场相关处置，将返回舱和有效载荷运至附近火车站，经铁路转运北京。

吊运返回舱

医监医保很重要

在返回舱着陆后，航天员可用多种手段迅速获取其位置信息：用搜救卫星系统接收返回舱信标发出的信号；航天员读取仪表板上的位置数据，通过卫星电话告知北京航天飞行控制中心；北京航天飞行控制中心通过测控网信息给出的返回舱落点，预报主着陆场直升机和固定翼飞机能用定向仪接收到的返回舱信标信号。

通过这些信号，搜救队会第一时间来到返回舱边。搜救队通过服装颜色区分工作种类，红色工作服是着陆场系统的搜救人员，白色工作服是航天员系统的医监医保人员，蓝色工作服是飞船系统的返回舱处置人员。返回舱着陆后并不立即打开返回舱，协助航天员出舱。

医学救援载体

一般先由返回舱处置人员先检查返回舱，包括反推发动机推进剂是否有残留，用特制的γ射线源防护盖屏蔽返回舱底部的γ高度计的γ源，防止辐射对救援人员带来危害。接着，打开返回舱舱门，医学监督和医学保障（简称医监医保）人员进入返回舱，对航天员健康状况进行初步的医学检查和确认，在返回舱内协助航天员初步对地面重力进行再适应，包括肢体运动、逐步站立适应、补充饮用水和营养液。航天员出舱后，返回舱处置人员还需要对返回舱再次进行安全处理，首先关闭返回舱电源，取出火工品备用单元，然后卸下高度计的γ源后存储于专用保护容器内等。

由于神舟13号航天员在轨飞行了6个月，航天员在太空的工作量大，比较疲劳，立位耐力下降较多，所以神舟13号航天员着陆后需在舱内用较长时间来适应地面重力环境。适应之后，航天员在工作人员协助下出舱，并且出舱后所有活动全部采取坐位，以确保航天员安全。这是因为航天员长期在失重环境中生活和工作后，会出现骨质疏松、肌肉萎缩和立位耐力差等问题，如果自己站立行走容易摔倒甚至骨折。返回地面初期，现场人员应避免与航天员拥抱，更不能因兴奋而向空中抛掷航天员。

在着陆场执行医监医保任务的航天员医生

此后，在医监医保直升机内，医监医保人员协助航天员脱下航天服，进行卫生清洁，更换内衣；对航天员进行体检，采集样本，收集生理数据；评价航天员的健康状况，给予必要的医监医保处置；送航天员登机并全程陪护。

回到北京后，航天员要进行身体恢复，一般分为医学隔离期、医学疗养期和恢复疗养期三个阶段。

医学隔离期约为14天。航天员在公寓内适应地球重力环境，提高心血管系统和支持运动器官功能，提高立位耐力，消除飞行后疲劳。

在隔离期内，航天员医生要对航天员实施医学检查，包括临床各科常规检查、立位耐力检查、平衡功能检查、人体成分分析、心血管调节与控制功能、人体功能状态检测等。重要检查项目要进行动态跟踪，实行检查与体质训练、恢复相结合，按照循序渐进的原则逐渐增大负荷。可以适当为航天员安排一些平衡训练、步行训练、医疗体操游泳、手法放松等。

医生正在进行航天员飞行后的身体恢复工作

根据临床医学检查、生理功能检查结果，航天员医生要对航天员健康状况进行综合分析和评估，以指导后续的恢复措施。在这期间，航天员与外界基本隔绝。

医学疗养期大约在20～30天。航天员将入住天气好、空气好的疗养院，在继续恢复健康的同时逐渐增加活动量。可安排航天员康复疗养，以进一步增强航天员体质，加强生理机能储备，提高防病抗病的能力，使航天员尽快恢复到飞行前状态。在疗养院可安排景观治疗、体能锻炼等恢复措施。

恢复疗养期大约3个月。在这期间，要将航天员各项生理参数恢复到飞行前的状态。3个月后，航天员如果身体情况良好，就可开始正常的日常训练。

延伸阅读

返回舱再入大气层时，航天员是坐在“倒座”上，即航天员乘坐的座椅方向是与飞船的飞行方向相反的。这是因为返回舱在再入过程中一直处于“刹车”减速状态，采用“倒座”可以使航天员的头部和上身紧压在带有赋形坐垫的座椅靠背上，这样航天员能承受较大的过载。

我国的主降落伞伞衣面积达1200平方米，若在地面平铺开来，大约可覆盖3个篮球场，降落伞全部拉直，总长度超过足球场的长度，但包装后的体积还不到0.18立方米。主降落伞的规格，主要取决于返回舱的回收质量和下降速度等因素。伞衣面积与回收质量成正比。“神舟”飞船返回舱的质量约3吨，所以对伞衣面积要求较大。

伞衣呈半张满状态

返回舱回收着陆时采用多级开伞方式，是为了降低开伞对航天员和降落伞装置结构的冲击载荷。它用一顶伞衣面积为24平方米的减速伞，先呈半张满状态，经8秒时间的减速后，解除收口状态，然后完全张满。主降落伞也同样采取收口措施，分两次展开。这样，可使降落伞各级开伞过载均控制在5g 以下，最终把返回舱的速度减至5～6米/秒。

责编 | 马修

制版 | 小圭月

欢迎关注我们，投稿、授权等请联系

saixiansheng@zhishifenzi.com

参与讨论

0 条评论

暂无评论内容

神舟13即将返回地面，首次采用新技术

赛先生

相关阅读

细推物理须行乐：李政道的科学人生

用13年，抵达量子模拟无人区

游戏刚刚开始：中国科大实现光子分数量子霍尔态

订阅Newsletter