在4月30日,神舟十九号飞船成功返航,相信很多网友都看到了神舟十九号飞船凯旋归来时的画面。在进入大气层后,地面的雷达等监测系统就实时追踪神舟十九号飞船返回舱的飞行情况。

神舟十九号返航:只开1个主伞降落,为什么美国飞船同时开4个伞

从公布的画面中,我们可以看到随着飞船返回舱不断下降高度,神舟十九号飞船返回舱也越来越清晰了。特别是当飞船在距离地面差不多还有10公里的高度时就会打开降落伞进行减速,面积达到1200米的主伞“吊着”飞船返回舱缓缓降落,当飞船返回舱即将着陆到地面的那一瞬间,飞船底部还发出光芒,现场烟尘滚滚。

神舟十九号返航:只开1个主伞降落,为什么美国飞船同时开4个伞

细心的网友可能会发现,神舟载人飞船、俄罗斯的联盟号载人飞船在返回地球的时候,都是打开一个降落伞进行伞降的,在着陆瞬间都会出现烟尘滚滚的情况。而美国的载人龙飞船的情况就有点不同,在伞降的时候会同时打开4个伞进行伞降,而且是直接溅落到大海的,着陆瞬间不会出现火光四溅的情况。为什么我们的飞船只有一个伞,美国的却是4个伞呢?

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飞船伞降的过程

不管是中国、美国,还是俄罗斯,或者是未来其他国家的载人飞船,在返航的时候都是需要使用到降落伞进行伞降的。因为飞船从外太空返航时,需要在很短的时间内完成减速。

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以神舟十九号飞船为例,从中国空间站撤离后就会采用快速返回的方案,飞船会先在太空环绕地球飞行大约5圈,每一圈大约耗时一个半小时,绕圈飞行大约耗时7.5小时,在这个过程中飞船会寻找再入地球大气层的时间窗口、位置,飞船也需要完成一系列的减速、姿态的调整、舱段的分离等过程。

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随后,飞船就会在合适的位置、合适的时间,以合适的夹角、合适的速度再入地球大气层,整个返回着陆过程包括制动离轨、自由滑行、再入大气层、开伞着陆等4个阶段,耗时大约50分钟。飞船需要在这短短50分钟内,把飞行速度从超过7公里每秒的速度降低到0,最后实现安全着陆。所以这个过程非常危险,任何一个操作失误都可能会导致飞船没法返航,甚至可能会出现问题。

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例如,飞船再入大气层的夹角不能太大,也不能太小。夹角太大的话再入大气层时速度就会过快,气动加热效应会更加强烈,导致外部温度超过设计水平,可能会导致飞船直接烧毁。而如果夹角速度太小的话,飞船返回舱就没法再入大气层,在大气层的边缘被弹回去。

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由于飞船速度很快,需要在极短的时间内完成减速,所以飞船需要采取措施来减少。探测器在登陆月球这些没有大气层的星球时,完全依靠探测器自身的发动机进行减速,然后在一定的高度进行悬停,确认安全后再进行软着陆。这个过程中需要消耗大量的推进剂,而且发动机也需要占用很大的空间,设计会很复杂。因为在降落的时候,发动机需要根据飞行的情况进行推力的调整,并不是直接启动发动机就完事了。

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从理论上来说,载人飞船从外太空返回地球一样可以使用反推发动机直接进行减速,然后在空中悬停,最后飞船稳稳地降落到地面。然而在实际的应用中,中国、美国、俄罗斯的载人飞船在着陆的时候都没有采用这样的方式。因为载人飞船返回舱尺寸本身就不是很大,内部空间只能容纳若干位航天员。

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如果全程采用发动机进行减速的话,需要消耗非常多推进剂,而发动机会占用很大的空间。相反,既然地球有浓密的大气层,借助空气阻力进行减速就是一个很好的方式。这就是为什么这些国家的飞船在大约10公里的高度时都会打开降落伞进行减速的原因。

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以神舟载人飞船为例,我们飞船的主伞面积虽然达到1200平方米,整个主伞面积这么大,展开后可以覆盖三个篮球场,但是很轻,整个主伞总重量都不到100公斤。将主伞收纳起来后也就是不到200升而已,可以轻轻松松装进飞船返回舱内。如果是使用反推发动机进行减速的话,发动机的重量、推进剂的重量加起来就会导致返回舱的重量超乎想象了。

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当然,降落伞的收纳过程可是相对复杂的,并不是直接卷起来塞进去飞船内就完事,整个收纳的过程也是一项有很高技术含量的工作。整个主伞由1900多片伞衣、90多条径向带、20多条纬向带、96根伞绳构成,当完成制造、检验合格后,降落伞就会被装入伞包,简单地说就是将降落伞的伞衣、伞绳和连接吊带等部件装进伞包,要保证在开启降落伞时按预定程序开包工作。

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这个包伞的过程看很复杂,涉及到几十到工序,要确保96根降落伞的伞绳互不缠绕,要用15吨的压力将伞衣、伞绳和连接吊带等部件压进伞包。整个“打包”的工作强度相当高,不亚于在健身房锻炼两小时。

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由于主伞的面积太大,如果一下子就打开主伞的话,很容易就会被空气崩破,所以飞船的降落伞的打开是有一定的顺序的,科学家为飞船量身定制了一套三级开伞程序。当飞船返回舱下降到一定的高度时,就会依次打开引导伞、减速伞和主伞,最先打开的引导伞面积最小,由引导伞拖出降落伞,在下降一段时间后,减速伞和飞船分离,随后拉出最大的主伞。经过这些伞的减速后,飞船的下降速度从高铁的高速降到普通人跑步的速度,也就是大约8米每秒左右。

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在神舟载人飞船内有2套这样的主伞,不过在使用的时候只打开一个主伞,另一个主伞处于备用状态,如果在伞降的时候主伞没法开启或者出现破损等紧急情况,备用的主伞就会开启,确保飞船返回舱可以完成伞降。

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美国的载人龙飞船在伞降的时候同时打开4个伞,其中一个原因是载人龙飞船的尺寸大一些,总重量更大。毕竟载人龙飞船最多可以搭载7名宇航员,单个伞没法满足载人龙飞船的安全减速。虽然4个伞同时打开的情况下,每一个伞都相互备份,其中一个伞出现轻微的破损的话,问题也不会很大。不过,这么多伞同时打开的话,有时候会出现伞和伞之间的缠绕等情况。

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