返回艙什么時候返回地球？

國際在線報道（記者楊瓊）：在經歷了一個月的太空生活之后，神舟十一號飛船的兩名航天員景海鵬、陳冬將在１８日下午返回地球。回家的路上，他們要經歷些什么？中間是否有風險？

從中國第一艘載人航天飛船神舟五號到如今的神舟十一號發射成功，中國的航天記錄正在不斷被刷新。但是，當神舟飛船順利發射入軌，完成各項太空任務后，其實，真正讓航天員和地面科研人員緊張的是“回娘家”，也就是返回地球這一刻。

返回地球的神舟十一號飛船包括推進艙、返回艙和軌道艙三個部分。在返回的過程中，這三個艙將在經歷兩次分離之后，返回艙將獨自回到地球。北京大學地球與空間科學學院教授焦維新介紹說：“第一步，軌道艙跟返回艙分離，飛行一段時間，然后發動機點火，速度就降下來了。速度就降下來之后軌道高度也降下來。原來是３９０多公里到１４０多公里，然后推進艙和返回艙分離。”

隨后，返回艙繼續獨自的回家之旅。在返回艙穿越大氣層的過程中，返回艙與大氣層的摩擦會產生上千度的高溫，這時候返回艙就像一個火球，如果不采取防熱措施，返回艙里的航天員會承受不了高溫，而且返回艙的結構也會受到損壞。航天科技集團五院、原載人飛船系統主管設計師劉敏介紹說，返回艙穿上了一層盔甲來隔絕高溫，“在返回艙的外壁上有一層專門隔熱的涂層。回來的時候可能這個涂層來進行燒蝕，來把熱量消耗掉。盡量減少對艙內溫度的沖擊。”

當返回艙距地球約１００公里時，將再次進入入大氣層。這個時候的返回艙因為巨大的摩擦力會“發起高燒”。焦維新介紹說，貼近返回艙表面的氣體和返回艙材料表面的分子被分解和電離，形成一個等離子層，返回艙內將和外界失去聯系，這一階段被稱為“黑障”。而這一階段也是工作人員最為緊張的階段，“目前，這段時間如何保持通信各國都在研究，但是還沒有得到很好的解決。好在這個階段時間不長，只有幾分鐘，雖然無線電通信無法聯系上，但可以用地面雷達可以觀測飛船的位置高度，多大速度下落。低于４０公里，黑障去消失，恢復和航天員的聯系。”

當終于降至離地面約１０公里時，返回艙就會像打開降落傘一樣緩緩下降。而當距離地面約１米時，４臺反推火箭發動機將使飛船以１米－２米／秒的速度實現軟著陸。

飛船雖然完成了使命，而這一時刻對于航天員來說確是十分難熬。焦維新說，航天員從太空回到地球，需要重新適應重力的環境。而此次任務長達３０天的時間，航天員可能需要更長的時間來適應地球，“從微重力到有重力環境的變化，走路不適應，需要地面工作人員協助走出艙門，出艙之后坐在椅子上，然后抬到車上，需要有這么一個過程。時間越長反應越明顯。”

據了解，神舟十一號飛船將會降落在主著陸場所在的阿木古郎大草原。“阿木古郎”是蒙古語“平安”的意思，阿木古郎草原在內蒙古自治區烏蘭察布市的四子王旗境內。目前，主著陸場區參試設備狀態良好，迎接神舟十一號返回的各項工作準備就緒，已經具備執行任務能力。

返回艙是如何從太空返回地球進入大氣層的？

從二十世紀開始，人類就開始了對宇宙的不懈探索，從無人航天到載人航天再到登陸月球，技術在不斷地進步發展，但不管載人航天器在太空停留多久，最終總要返回地球。所以人類的宇宙飛行，其實決定于航天器的返回技術。今天我們就來了解一下航天器返回技術。

航天器返回技術發展史

40年代末，隨著戰爭的結束，已經科技的進步與發展，美蘇開始了近30年的太空競賽，美國、蘇聯曾利用繳獲、仿制和改進的德國V-2導彈改裝成地球物理探測火箭，把一些探測儀器和實驗生物發射到100公里以上的高度后進行回收。隨著導彈射程的增加，彈頭的再入速度越來越大，氣動加熱問題日益嚴重。

因為我們要知道，物體與空氣或其他氣體作高速相對運動時所產生的摩擦力會轉化為熱力，產生氣動加熱現象的一個重要因素是速度，所以飛行速度越快,飛行器表面氣動加熱就越嚴重。

尤其是載人航天器的返回艙在距離地面70公里—40公里的高度以每秒數千米的速度穿越稠密大氣層時，返回艙表面溫度會達到1000－2000攝氏度，如果不采取有效的防熱降溫措施，整個返回艙將會像隕石一樣被燒為灰燼。

1959年，美國使用降落傘完整地回收了洲際導彈的實驗彈頭，顯示了燒蝕防熱的有效性和應用氣動減速原理的可能性。于是，美、蘇兩國開始積極研究衛星返回技術。

燒蝕防熱是靠燒蝕材料受熱分解和氧化燃燒帶走熱量的防熱方法，燒蝕材料被包覆在需要防熱的殼體表面，在受熱分解和氧化燃燒過程中通過熱解氣體和燃燒產物的不斷流失將熱量從殼體表面帶走，從而獲得熱防護效果。

在經過了多次的研究之后，美國的燒蝕防熱技術開始非常成熟，燒蝕防熱技術的最大優點是安全、可靠，適應流場變化的能力強。尤其是在高熱流條件下，它是唯一可行的一種防熱方法。它的缺點是僅能一次性使用。常用的燒蝕防熱材料主要有高溫熔化、低溫碳化和直接升華三類。

目前除了燒蝕防熱技術之外，還發展出來了輻射式防熱和吸熱式防熱技術。針對不同的航天器使用

而除了要解決熱防問題之外，還有就是如何保證生命在航天器內可以生活，那么它就必須要具備小型環境控制/生命保障系統。要建立并控制適合生命生存的人工環境；并保證在軌飛行微重力條件下生命的進食；實現對生物搭載艙及生命信息的實時監控，包括它們極端環境耐受程度、新陳代謝情況、飲食特點甚至是廢物排出量。

神九天宮對接構建的小型環境控制/生命保障系統

最后就是要研究衛星和飛行環境的特點，做到對許用質量、電源品種及容量，裝載時間甚至是發射和回收過程等條件成竹在胸。

在經過了10年的實驗探索之后，1960年8月11日，美國首次在海上成功地回收了“發現者”13號彈射出的一個再入密封艙。1960年8月20日，兩只小狗“別爾卡”和“斯特列爾卡”從太空返回地面，成為首次實現高等動物空間軌道飛行試驗和回收任務的“英雄”。

“別爾卡”和“斯特列爾卡”從太空返回地面

1961年4月12日，蘇聯哈薩克共和國的拜科努爾宇宙發射場上騰空而起的“東方”號宇宙飛船載著人類第一個沖出地球的宇航員——加加林飛上太空遨游，又安全降落在薩拉托夫州斯莫路夫斯卡村田野，這一成熟的返回技術為人類揭開了載人航天的新紀元。

加加林

美國的阿波羅登月返回則預示著人類返回技術又達到了一個新的高度，如何離開月球表面。我們知道，月球的重力為地球的六分之一，這使得航天器在擺脫月球表面和離開月球軌道時相對于地球更加容易。科學家在“阿波羅11號”上，裝有一臺推力1.6噸的上升發動機，該發動機點火后只需4分鐘左右的時間便可推動其進入月球軌道，隨后“阿波羅11號”在拋棄登月艙后開啟服務艙發動機獲得更大的速度，使其脫離月球軌道奔向地球軌道。

阿波羅號返回地球

航天器返回原理

航天器在軌道上的運動是在地心力場作用下，基本按天體力學規律運動，改變運行速度可使航天器脫離原來的運行軌道而轉入另一條軌道，若速度的變化可轉向進入地球大氣層的軌道，則可能實現返回。航天器從外層空間返回地面須經歷離軌、過渡、再入和著陸4個階段。

離軌：利用火箭發動機的沖量來改變航天器的運行速度，使它轉入一條能進入地球大氣層的過渡軌道，是最有效的強制離軌方法。具有變軌能力的航天器（如“哥倫比亞”號航天飛機、“阿波羅”號飛船、“聯盟”號飛船）直接由變軌發動機提供離軌沖量。無變軌能力的航天器（如“水星”號飛船、“雙子星座”號飛船、“東方”號飛船、“發現者”號衛星）則須有專門的制動火箭。

SpaceX BFR的地月轉移軌道

過渡：從離開原運行軌道到進入大氣層為止，航天器在大氣層外沿過渡軌道返回時基本按天體力學規律運動。返回起點不同，航天器沿過渡軌道返回的航程長短也相差懸殊。從月球返回的航程長達40萬公里，歷時60小時。根據需要，航天器在途中可再次啟動變軌發動機修正軌道，以確保穿入再入走廊。

而環地軌道返回的過渡段較短，僅數百至數千公里，歷時幾分鐘至幾十分鐘，航天器不再作軌道修正，由離軌條件保證其安全返回。

在過渡階段結束之前，旋轉穩定的返回艙需要消旋，以便返回艙利用氣動力穩定在防熱層迎流的狀態；具有姿態控制能力的返回艙則須調整到防熱端面朝前的姿態，為返回艙再入大氣層作好準備。航天飛機則以尾部朝前上方的姿態，由變軌發動機制動脫離環地軌道，在過渡段再由姿態控制系統將自身調頭,保持頭部朝前,以30°俯仰角的姿態再入大氣層。

再入：再入航天器以宇宙速度進入大氣層將經受嚴酷的再入環境，但通過再入航天器氣動外形的合理設計和再入軌道控制，可以使航天器在再入大氣層過程中既達到減速目的，又保證制動過載和氣動加熱不超過允許的限度。

中國再入返回飛行試驗器任務動畫演示

按航天器氣動特性和軌道特征，再入有彈道再入和升力再入兩種方式。

① 彈道再入：再入體進入大氣層(見返回軌道)運動時只產生阻力不產生升力，或雖產生升力但對升力大小和方向不加控制，這稱為彈道再入。

② 升力再入：再入航天器進入大氣層運動時產生一定可控制的升力，稱升力再入。再入航天器在升力作用下會沿滑翔式軌道或跳躍式軌道滑行。

緩沖著陸：再入航天器進入大氣層后受到空氣阻力 (D)的作用，其方向與速度方向相反，大小與大氣密度 (ρ)、飛行速度(V)的平方以及表示再入體形狀特征的阻力面積(CDA)成正比, 公式為：1/2ρV^ 2CDA。地球大氣雖然稀薄（尤其是高層大氣），但如果再入體有較大的阻力面積，氣動阻力所產生的減速仍足以將其速度大大減小。至今再入航天器都是利用地球大氣層這一天然條件，實現了氣動減速。

而在下降到20公里以下的高度時達到穩定下降速度。如果不進一步采取減速措施，返回艙將以150～200米/秒的穩定下降速度沖向地面,這是不能允許的。為此，返回艙必須有回收系統，逐級展開氣動力減速裝置(如降落傘)，使返回艙進一步減速。

之后以一定速度垂直下降，利用緩沖裝置安全著陸或濺落。

航天飛機具有相當大的機動滑翔能力，亞音速氣動力特性能使它在預定場地的跑道上水平著陸。水平著陸是多次重復使用的航天飛機的先決條件。

航天器返回完整過程

航天器返回技術特點

返回技術是復雜的綜合性技術，為使航天器安全返回和準時定點著陸，返回控制和制導、再入大氣層的防熱、回收和著陸是返回技術的關鍵。航天器的返回按技術特點則可以分為：彈道式返回、半彈道式返回和滑翔式返回三類。

第一種是采用彈道式返回的航天器，像炮彈一樣，沿著一條很陡峭的路徑返回，在穿越大氣層時不產生升力，因而不能進行落點控制，所以落點偏差較大，并且過載比較大（可達8g～9g），接近人體所能承受的極限。落點散布也比較大。

航天器返回到地球表面的任務主要包括：實現將宇宙飛行速度減速到落地前的開傘速度；保證再入過程空氣產生的力、熱等效應滿足任務需求；保證再入飛行安全并著陸到要求的落區范圍。

紅線是彈道式再入，飛船將遭受更高的加速度，并可能對航天員造成危險

蘇聯和美國早期的返回式航天器都采用這種形式，如蘇聯的“東方”號、“上升”號飛船和美國的“水星”號飛船。

第二種是采用彈道－升力式返回的航天器，它一般都采用鐘形結構，在穿越大氣層時產生一定的升力，因而能夠對其飛行軌跡進行一定控制，落點準確度比較高，過載也較小（不大于4g）。美國的“阿波羅”號系列飛船、俄羅斯的“聯盟”號系列飛船和中國的“神舟”號系列飛船采用的都是這種返回著陸方式。阿波羅號飛船采用的彈道－升力式返回。