长文详解|“神舟”载人飞船是如何返回地面的

新浪科技综合蝌蚪五线谱庞之浩 全国空间探测技术首席科学传播专家北京时间2024年11月4日1时24分，神舟十八号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆。三位航天员身体状态良好，神舟十八号载人飞行任务取得圆满成功。至此，“80后”乘组太空之旅圆满结束，航天员叶光富刷新中国航天员在轨驻留时间的纪录，成为我国首位累计飞行时长超过一年的航天员，累计飞行374天13小时59分钟。在2024年5月28日，航天员叶光富出舱时长达到8小时23分钟，创中国航天员单次出舱时长新纪录。此次神舟十八号飞船返回地球依旧采用快速返回的技术。即环绕地球5圈（大约7.5小时）后，经过四个阶段，大约历时50分钟着陆到地面。从神舟十三号起，“神舟”载人飞船一直采用这种返回方案。载人飞船返回由载人飞船系统、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。“神舟”载人飞船在返回过程需要经历哪些考验？飞船在夜间返回搜索救援要采取什么措施？航天员着陆出舱前后要经过哪些处置过程？下面将详细解答。1制动减速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”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。北京时间2024年11月3日16时12分，神舟十八号载人飞船与空间站组合体成功分离。11月4日0时34分，北京航天飞行控制中心通过地面测控站发出返回指令，神舟十八号载人飞船轨道舱与返回舱成功分离。轨道舱与返回舱分离后，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；在完成持续约180秒的制动后，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2自由滑行阶段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°，如果返回舱再入姿态角太大，它在再入大气层时会因速度太快，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。在推进舱和返回舱分离以后，返回舱会利用自身装配的发动机进行姿态调整，变成大底朝前的飞行状态。这样一来，返回舱在穿越大气层时产生一定的升力，因而能够对飞行轨迹进行一定控制，从而保证落点准确度较高，对航天员的过载冲击也比较小。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3再入大气层阶段第三阶段是再入大气层阶段。“神舟”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。进入黑障区时，返回舱隔热大底外表面与大气层会发生剧烈的摩擦，温度可达上千度。对于黑障区的经历，神舟十六号任务航天员朱杨柱在央视的直播节目中幽默的形容“一路火花带闪电，仿佛坐在太上老君的炼丹炉里”，但返回舱内温度变化不大。神舟十九号返回舱再入大气层（央视画面）在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，返回舱通过对返回舱侧倾角的调整变化（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，目前我国返回舱在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能得到大幅提升。采用预测制导的自适应控制方案，可使返回舱返回在“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，二是能保证整个过程的安全性。4回收着陆阶段第四阶段是回收着陆阶段。在返回舱距地面10千米左右时，返回舱上的静压高度控制器通过测量大气压力自动判定所处高度启动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，同时通过返回舱底部吸能外壳、减振材料和座椅缓冲机构组成的减振系统来吸收能量，保证航天员安全落地。回收着陆分系统正常工作程序神舟十八号飞船返回舱夜间着陆神舟十八号返回舱反推发动机点火（央视画面）由于飞船返回舱在返回过程中处于高速运动的状态，一旦中途出现故障，外界无法采取营救措施，也不可能将程序暂停或恢复到原位重新开始。因此，回收着陆系统的工作过程只能是由一系列不可逆按时序执行的动作组成。为保证航天员的生命安全，提高回收着陆系统工作的可靠性和安全性，设计师们想到了一切可能发生的紧急情况，为回收着陆系统设置了9种故障模式，涉及正常返回、中空救生、低空救生3种基本返回工作程序，采取了备份降落伞装置、时间控制器、三组高度开关等多种备份措施，以全面保证返回舱在火箭发射段、上升段、正常返回和应急返回段的安全返回与着陆。5搜寻手段多多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。参加任务的有5架直升机：1架指挥机、1架通信机、1架医监医救机，还有2架医疗救护机。针对这次夜间返回的重难点，各个方面都进行了高配置。在设备上，加装了大功率的搜索探照大灯、红外光学吊舱，还有配备了双目夜视仪和四目夜视仪。在人员上，任务机组配备了双机长、双机械师，每一架直升机都增设了一名领航员。飞行员的人均飞行小时都在3100小时以上，有着非常丰富的飞行经验和任务经历。神舟十八号搜救回收空中分队起飞（央视画面）为保证地面搜救系统及时、准确搜索到返回地面的返回舱，保证整个任务的成功和航天员的生命安全，除布设一定数量的雷达，跟踪测量返回舱轨道并预报落点位置外，在飞船返回舱着陆后，其上的国际救援示自主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，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，例如，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。为方便夜间寻找返回舱，飞船返回舱的“肩部”位置还装有闪光灯，直升机据此能在夜间发现返回舱。如果发生意外，返回舱落在茫茫大海里，返回舱底部装的海水染色剂会缓慢释放，将附近水面染成亮绿色，持续时间可达4小时，为飞机和救捞船提供引导。航天员和座椅。其中的座椅缓冲器和赋形垫子也用于缓冲早期的“神舟”飞船返回舱表面测控与通信分系统部分部件6需要医监医保当搜救队来到返回舱边后，就可以开展相关处置工作。一般先由返回舱处置工程师先检查返回舱，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。神舟十八号返回舱门打开（央视画面）接着，打开返回舱舱门，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。由于航天员在轨飞行了6个月，工作量大，比较疲劳，立位耐力下降较多，所以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用力拥抱。2024年11月4日02：15神舟十八号航天员叶光富、李聪、李广苏全部顺利出舱。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。叶光富地面出舱李聪地面出舱李广苏地面出舱医监医保车在着陆场执行医监医保任务的航天员医生此后，在医监医保直升机或医监医保车内，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。7逐渐恢复身体2024年11月4日，神舟十八号航天员乘组平安抵京。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3~4星期，主要为消除飞行中对身体功能产生的不利影响，促进基本功能恢复。航天员在航天员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、医疗体操游泳和手法放松等。航天员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。医学疗养期大约为4~5星期，以确保身心全面恢复。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。在疗养院可安排景观治疗、体能锻炼等恢复措施。恢复疗养期约为4个月，主要为恢复观察阶段。在这期间，要将航天员各项生理参数恢复到飞行前的状态。4个月后如果航天员身体情况良好，就可参加正常的航天员训练了。“神舟”载人飞船的返回过程是一个集高科技、复杂操作与精细保障于一体的系统工程，从制动减速到自由滑行，再到再入大气层和回收着陆，每一步都凝聚着科研人员的心血与智慧。航天员的安全返回，不仅标志着飞行任务的圆满成功，更是我国航天技术不断进步的生动体现。展望未来，随着技术的不断革新与完善，我国载人航天事业必将迎来更加辉煌的成就，为人类探索宇宙的奥秘贡献更多中国力量。

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