《軍武次位面》作者：大伊萬

4月16日上午10時(shí)，神舟十三號(hào)載人飛船乘組在圓滿完成為期183天的空間站飛行任務(wù)后，在內(nèi)蒙古四子王旗東風(fēng)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(shí)施的第8次載人航天飛行任務(wù)、第二次空間站飛行任務(wù)，創(chuàng)下了中國載人航天、空間站任務(wù)飛行時(shí)間最長、任務(wù)項(xiàng)目最多的紀(jì)錄。

飛船返回技術(shù)的發(fā)展

此次神舟十三號(hào)返回，有一個(gè)名詞一直在被提起：“快速返回技術(shù)”，所謂的“快速返回技術(shù)”，指的是神舟十三號(hào)飛船和空間站組合體分離后，將原本需要約20個(gè)小時(shí)才能完成的制動(dòng)離軌段，縮減到短短4到5個(gè)小時(shí)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(gè)小時(shí)”到“5個(gè)小時(shí)”的差別，但事實(shí)上“快速返回技術(shù)”和“快速對(duì)接技術(shù)”一樣，都屬于返回/對(duì)接技術(shù)的“進(jìn)階”。那么，“快速返回技術(shù)”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(xiàn)了三代返回技術(shù)，分別是第一代的“飛船再入、彈射座椅返回技術(shù)”，第二代的“飛船再入、降落傘減速返回技術(shù)”、第三代的“軌道器再入、直接降落在機(jī)場返回技術(shù)”。

先說第一代返回技術(shù)，此代返回技術(shù)以蘇聯(lián)“東方”系列載人飛船為典型代表，主要技術(shù)特征和技術(shù)步驟是：飛船輸入導(dǎo)航參數(shù)，載人艙段和服務(wù)艙段分離，爾后建立再入姿態(tài)，進(jìn)入高層大氣，利用大氣層實(shí)施氣動(dòng)減速，待到達(dá)低層大氣后，航天員啟動(dòng)彈射座椅彈射出艙，用降落傘降落到地面，飛船不繼續(xù)減速，而是撞地墜毀。

這種航天員返回技術(shù)相對(duì)簡單，比較適合蘇聯(lián)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(duì)飛行員的生理和心理都是相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。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(shè)備被保留了下來，但也從來沒有真正運(yùn)用過。

而第二代返回技術(shù)，也即“飛船再入，降落傘減速返回技術(shù)”，分別被美蘇兩國運(yùn)用在了自己的“水星”系列載人飛船（1962年2月實(shí)施首次地球軌道飛行）、“上升”系列飛船（1964年10月實(shí)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(shí)施制動(dòng)離軌、多次調(diào)姿、推進(jìn)艙和返回艙分離、建立再入姿態(tài)、穿過高層大氣，進(jìn)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(qū)間，并完成著陸。

目前，中國的“神舟”系列飛船，俄羅斯的“聯(lián)盟-TM”系列飛船，美國的“載人龍”和已經(jīng)退役的“阿波羅”系列飛船，均采用了這一著陸方式。當(dāng)然在具體的著陸參數(shù)設(shè)置和部分設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上，以上飛船還是有相當(dāng)大的不同的：

以美國而言，NASA設(shè)計(jì)的載人飛船偏好海上濺落，海上濺落的優(yōu)勢是海水緩沖相對(duì)較好，可以相應(yīng)提高飛船的再入速度，如載人登月飛船再入時(shí)，就必須選擇在海上濺落；

同時(shí)，海上濺落對(duì)飛船返回參數(shù)的選擇比較寬泛，可以選擇相對(duì)較大的著陸區(qū)，甚至不用擔(dān)心飛船落偏方向，在海上濺落時(shí)，飛船也不需要設(shè)計(jì)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(fēng)大浪容易發(fā)生沉沒事故、給航天員生命安全造成威脅，如美國在“水星”計(jì)劃中，就出現(xiàn)過飛船濺落時(shí)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(diǎn)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(yōu)勢是安全性相對(duì)較好，不用擔(dān)心飛船進(jìn)水沉沒的問題，也不用擔(dān)心海上搜救的問題。比較適合中、蘇（俄）等國海軍力量薄弱，對(duì)海域（對(duì)蘇聯(lián)來說是溫暖水域）控制權(quán)不足，但陸地面積相對(duì)廣大，部分地區(qū)地廣人稀的現(xiàn)狀。

當(dāng)然，陸地返回對(duì)再入速度的要求比較高，這就要求飛船必須實(shí)施有效的制動(dòng)減速，增設(shè)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(qū)別，也沒有孰優(yōu)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(jī)場著陸”返回技術(shù)

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

以美國的航天飛機(jī)軌道器為例，在返回地面之前，經(jīng)歷建立再入姿態(tài)后，需要在自動(dòng)駕駛設(shè)備的協(xié)助下，在高空實(shí)施一個(gè)巨大的S型轉(zhuǎn)彎，這一S型轉(zhuǎn)彎將幫助飛機(jī)完成減速，從24馬赫降低到10馬赫，再進(jìn)一步降速到3.5馬赫左右。

航天飛機(jī)再入過程的地面航跡示意圖

此時(shí)航天飛機(jī)軌道器的飛行高度大約為30千米，并脫離黑障區(qū)域，建立和地面的通聯(lián)，由正常的機(jī)場進(jìn)近引導(dǎo)軌道器再實(shí)施一個(gè)S型轉(zhuǎn)彎，完成轉(zhuǎn)彎后，航天飛機(jī)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(tǒng)，在機(jī)場跑道上著陸。

降落在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(jī)約135節(jié)的著陸速度，航天飛機(jī)軌道器的著陸速度一般高達(dá)200節(jié)以上，對(duì)著陸系統(tǒng)和跑道的要求要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的大型客機(jī)。

“暴風(fēng)雪”號(hào)航天飛機(jī)

此外，值得一提的是，相比美國的航天飛機(jī)軌道器采用無動(dòng)力滑翔著陸的方式，蘇聯(lián)的“暴風(fēng)雪”航天飛機(jī)軌道器，特地安裝了兩部RD-33型發(fā)動(dòng)機(jī)，可以讓它在大氣層中實(shí)施機(jī)動(dòng)飛行，該型航天飛機(jī)軌道器也第一次初步具備了“空天飛機(jī)”的雛形。

但是，由于航天飛機(jī)系統(tǒng)的制造、使用、維護(hù)價(jià)格實(shí)在太高，高到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了美蘇兩國的承受能力。同時(shí)，作為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，航天飛機(jī)的成熟度始終趕不上更加可靠的載人飛船，蘇聯(lián)解體后，“暴風(fēng)雪”號(hào)航天飛機(jī)以極快的速度被丟進(jìn)了垃圾場，而NASA在慘淡經(jīng)營了許久后，也終于在連續(xù)墜毀兩架的情況下，選擇了放棄航天飛機(jī)軌道器，第三代載人航天返回技術(shù)變成了曇花一現(xiàn)。

“快速返回技術(shù)”

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

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

而在實(shí)施快速返回程序后，變軌調(diào)姿、變軌減速可以在4圈、6個(gè)小時(shí)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(gè)小時(shí)內(nèi)完成。比如此次神舟十三號(hào)飛行任務(wù)，凌晨0點(diǎn)44分飛船與空間站組合體分離，上午10時(shí)許飛船就已經(jīng)著陸，前后花了9小時(shí)多一點(diǎn)的時(shí)間，這背后對(duì)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(jīng)實(shí)現(xiàn)了空間站快速對(duì)接、飛船快速返回，可以說是做到了當(dāng)前載人飛船返回的最高水準(zhǔn)。但是，未來如果我們要遂行載人登月任務(wù)，新的921載人飛船大概率要使用新的海上著陸技術(shù)，這對(duì)我們的載人航天返回技術(shù)提出了更高的挑戰(zhàn)。

同時(shí)，長遠(yuǎn)來看，以航天飛機(jī)軌道器為代表的火箭發(fā)射、水平著陸返回技術(shù)，應(yīng)當(dāng)是未來航天飛行器返回技術(shù)的大趨勢，在這方面，咱們也已經(jīng)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(shù)的實(shí)用化，就讓我們繼續(xù)關(guān)注中國載人航天的發(fā)展吧。