潮新聞客戶端記者屠晨昕

如同一顆劃過天際的美麗“火流星”，神舟十六號(hào)返回艙,，載著景海鵬,、朱楊柱、桂海潮,，平安歸來,！

10月30日晚上20時(shí)37分，神舟十六號(hào)載人飛船與空間站組合體成功分離,。10月31日早上8時(shí)11分,，神十六返回艙在東風(fēng)著陸場(chǎng)成功著陸，三位航天員順利出艙,，健康狀況良好,，神十六載人飛行任務(wù)取得圓滿成功。

“網(wǎng)紅導(dǎo)師”桂海潮安全順利出艙（視頻截圖）,。圖源央視

一次又一次的成功,，我們似乎對(duì)咱們的神舟飛船返回艙送航天員安全返回地面已經(jīng)習(xí)慣了，覺得這是稀松平常之事,。

事實(shí)上,，100公里高的稠密大氣層,，在保護(hù)、孕育地球生命和人類文明的同時(shí),，也是載人航天的巨大挑戰(zhàn)。航天器再入大氣層,、返回地面的環(huán)節(jié),，堪稱“鬼門關(guān)”，而且不是一道,、而是四道“鬼門關(guān)”,。就像飛機(jī)降落比起飛更危險(xiǎn)一樣，飛船再入大氣層,，可比發(fā)射上天入軌要兇險(xiǎn)多了,。

在熱烈祝賀神十六“網(wǎng)紅博士乘組”順利回家的同時(shí)，潮新聞邀請(qǐng)航天專家為你科普從天上回到人間的“鬼門關(guān)”,。

四道“鬼門關(guān)”,，每一關(guān)都兇險(xiǎn)無比

為什么再入大氣層比發(fā)射時(shí)要更兇險(xiǎn)？浙江大學(xué)航空航天學(xué)院的王慧泉教授打了個(gè)簡(jiǎn)單的比方：如果說航天器發(fā)射時(shí)像是戰(zhàn)斗機(jī),，那么返回時(shí)就像是滑翔機(jī),。

“航天器發(fā)射時(shí)有強(qiáng)大的動(dòng)力，整個(gè)是完全受控的,。但是返回時(shí)只有在某個(gè)特定的點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)開起來控制一下,，而且這種小發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于運(yùn)載火箭，只夠調(diào)整姿態(tài),，航天器只能靠著慣性去‘飄’了,，遇到大氣擾動(dòng)對(duì)軌道的影響就會(huì)比較大，控制起來就會(huì)很困難,?！蓖趸廴嬖V潮新聞?dòng)浾摺?/p>

神舟飛船由軌道艙、返回艙,、推進(jìn)艙三艙構(gòu)成,。返回過程中，飛船從距地面約390公里的空間站軌道逐漸下降,，軌道艙率先與返回艙分離,，返回艙進(jìn)入返回軌道。

據(jù)王慧泉介紹,，在這個(gè)過程中,，神舟飛船返回艙和航天員乘組，要闖過四道“鬼門關(guān)”,。

神十六返回動(dòng)畫演示畫面（視頻截圖）,。圖源中國載人航天工程辦公室

一是調(diào)姿關(guān),。

返回艙進(jìn)入大氣層時(shí)必須精確控制自身姿態(tài)。角度太小無法進(jìn)入,，若角度過大,，返回時(shí)可能因?yàn)檫^載太大導(dǎo)致航天員傷亡，甚至因?yàn)榉欠罒岵课辉庥龈邷馗邏憾鵁龤?。為使返回艙著陸在指定區(qū)域,，神舟飛船返回對(duì)著陸精度要求極高。

中國航天科技集團(tuán)五院技術(shù)人員通過對(duì)神舟十六號(hào)飛行過程中速度,、角度和方向的精準(zhǔn)控制,，使其最終著陸在預(yù)定地點(diǎn)。

神舟十六號(hào)返回畫面（視頻截圖）,。圖源中國載人航天工程辦公室

二是火焰關(guān),。

飛船返回時(shí)與大氣的劇烈摩擦?xí)a(chǎn)生上千度的高溫，我們經(jīng)?？吹皆偃氪髿鈱拥奈矬w宛如“火流星”就是這個(gè)原理,。如果沒有先進(jìn)的防熱措施，鋼筋鐵骨也要化成灰燼,。返回艙再入大氣層時(shí),，要用特制防熱材料的艙底保持向前，起到“保護(hù)傘”作用,，使艙內(nèi)始終保持適宜的溫度,。

這個(gè)過程又被稱為“黑障”階段，艙體與空氣劇烈摩擦產(chǎn)生高溫高壓的電離氣體層,，像劍鞘一樣包裹在返回艙表面,，隔絕返回器與地面測(cè)控站之間的通信聯(lián)絡(luò)，令人揪心,。

美國媒體報(bào)道哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)失事的電視畫面,。圖源視覺中國

2003年2月1日，美國哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)再入大氣層,，在著陸前16分鐘指揮中心與航天員的聯(lián)系突然中斷,。幾秒后，航天飛機(jī)在距地面60公里高度解體散架,，7名航天員在一瞬間被氣化,，全部遇難。據(jù)調(diào)查,，發(fā)射時(shí)外部燃料箱表面脫落的泡沫擊中了航天飛機(jī)左翼前緣的碳纖維材料,，形成裂縫。再入大氣層的氣動(dòng)加熱使高達(dá)1400℃的高溫空氣沖進(jìn)左機(jī)翼,，融化了內(nèi)部結(jié)構(gòu),，導(dǎo)致機(jī)體爆炸,。

中國航天科技集團(tuán)五院科研人員在神舟飛船返回艙艙體表面設(shè)計(jì)了防熱涂層，敷設(shè)有一層燒蝕材料,，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時(shí)燒蝕材料升華脫落,，帶走大量熱量，從而降低溫度,。

中國航天科工二院23所研制的相控陣?yán)走_(dá)能“看破”在黑障區(qū)“隱身”的返回艙,，持續(xù)開展跟蹤測(cè)量，防止返回艙偏離預(yù)定的著陸區(qū)域,。

神舟十六號(hào)航天員返回地球時(shí)的艙內(nèi)畫面（視頻截圖）。圖源中國載人航天工程辦公室

三是過載關(guān),。

飛船高速進(jìn)入大氣層時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊過載,，震動(dòng)和噪聲，所以必須使過載限制在人的耐受范圍內(nèi),，一般也就是10個(gè)G以內(nèi),，即航天員承受的力量不到10倍自身體重。

安全渡過過載關(guān)的方法,，主要是采用半彈道式再入和升力式再入,。

我國的神舟飛船、俄羅斯的聯(lián)盟飛船和美國的阿波羅飛船等均采用半彈道式再入,。其航天器重心與對(duì)稱軸有一定距離,，因此再入時(shí)飛行方向與對(duì)稱軸之間有一定夾角，產(chǎn)生一定的升力,，可減小超重,、降低熱流密度，有效減小了航天員承受的過載,，使人感覺更輕松,。同時(shí)，利用升力在一定范圍內(nèi)控制落點(diǎn),，提高著陸精度,。半彈道式再入穿越大氣層耗時(shí)比較久，大氣摩擦加熱產(chǎn)生的總熱量很高,，因此對(duì)防熱的要求較高,。

像航天飛機(jī)這樣的帶翼航天器可以進(jìn)行升力式再入。由于機(jī)翼可以產(chǎn)生較大升力,，這種方式再入過程中航天器的機(jī)動(dòng)能力是最強(qiáng)的,，可在大范圍內(nèi)選擇落點(diǎn)，航天員所承受的過載也最小,，感覺最舒服,。但升力式再入的技術(shù)難度也最大,，對(duì)于防熱的要求也最高。

神十六返回艙著陸瞬間,。新華社記者李剛攝

四是著陸關(guān),。

返回艙下降到稠密大氣層后，回收控制系統(tǒng)開始工作,，打開降落傘,，進(jìn)一步減速；著地前,，著陸緩沖裝置開始工作,，使返回艙以很低的速度實(shí)現(xiàn)軟著陸，保證航天員安全無恙,。這最后一關(guān)極為重要,，否則功虧一簣，前功盡棄,。

1967年4月24日,，蘇聯(lián)聯(lián)盟一號(hào)飛船返回，就曾因?yàn)樵谶^最后一關(guān)時(shí),，主降落傘與備用降落傘纏繞到一起,，無法正常打開，導(dǎo)致返回艙高速撞向地面,，致使船毀人亡,，航天員科馬洛夫犧牲。

中國航天科技集團(tuán)為神舟飛船設(shè)計(jì)了引導(dǎo)傘,、減速傘和主傘,，回收時(shí)依次打開。其中主傘面積達(dá)1200平方米,，由1900多塊傘衣拼接而成,，全部展開后可以覆蓋3個(gè)籃球場(chǎng)大小，拉直長(zhǎng)度近70米,，是世界上最大的環(huán)帆傘,。

神舟十六號(hào)返回艙開傘（視頻截圖）。圖源中國載人航天工程辦公室

在降落傘的保護(hù)下,，返回艙從每秒200米左右減速至每秒8米左右,，但這個(gè)速度仍不能保證航天員落地的絕對(duì)安全。著陸前的最后幾米,，返回艙智能計(jì)算高度,、速度等信息，反推發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳時(shí)機(jī)點(diǎn)火“剎車”，速度降至每秒2米左右著陸,，內(nèi)部緩沖座椅也會(huì)為航天員提供落地保護(hù),。

另外，要保證其落點(diǎn)精度,，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)營救,。1965年3月19日，蘇聯(lián)航天員列昂諾夫?qū)崿F(xiàn)人類歷史上首次“太空行走”之后,，乘坐上升二號(hào)飛船返回艙降落在烏拉爾山脈的原始森林里,。由于手控操縱不甚精確，著陸地點(diǎn)偏離預(yù)定地點(diǎn)1300公里,，營救人員一時(shí)趕不到,。兩名航天員只得在冰天雪地里燃起篝火度過了難熬的一夜，又凍又餓,，3月20日才被救援直升機(jī)找到,，萬幸未發(fā)生意外。

2020年9月6日,，在京舉行的中國國際服務(wù)貿(mào)易交易會(huì)展示的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。圖源視覺中國

北斗導(dǎo)航,，為神舟快速返回保駕護(hù)航

從7時(shí)21分返回艙與軌道艙分離,，到8時(shí)11分安全著陸，神十六乘組用了短短50分鐘,。

此次神舟十六號(hào)返回,，依然采取神舟十三號(hào)以來的“快速返回方案”，大幅縮短了返程時(shí)間,，減輕了航天員在狹小空間長(zhǎng)時(shí)間停留的不適感,。

2022年4月16日，神舟十三號(hào)返回艙首次采用快速返回模式,，在不改變硬軟件的條件下,，返回繞飛地球從神十二的18圈縮短至5圈。每繞一圈約1.5個(gè)小時(shí),，返回全過程時(shí)間就從神十二的28個(gè)小時(shí)一下子縮短至10個(gè)小時(shí)左右,。

工作人員正在進(jìn)行神十六航天員出艙準(zhǔn)備（視頻截圖）。圖源央視

“以往飛船返回地面要繞行那么多圈,，花那么多時(shí)間,，返回艙無非就是在尋找一個(gè)合適的位置和角度脫離近地軌道，然后降低軌道,，返回地球,。”據(jù)北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授、中國空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間探測(cè)專業(yè)委員會(huì)副主任焦維新介紹,，現(xiàn)在我們借助于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),，確定這個(gè)窗口是非常容易。

事實(shí)上,，返回過程與交會(huì)對(duì)接過程很相似,。“空間對(duì)接的目標(biāo)是位于軌道上的空間站,，而返回也有一個(gè)明確的目標(biāo),，那就是飛船著陸場(chǎng)。著陸場(chǎng)在地球上的位置是固定的,，但地球是不斷自轉(zhuǎn)的,，所以在飛船上看，這也是一個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo),?！?/p>

神舟飛船的星下點(diǎn)軌跡，東風(fēng)著陸場(chǎng)在綠色區(qū)域內(nèi),。圖源中國載人航天微信公號(hào)

如同前面所述,，飛船再入時(shí)減速的大小和方向是很有講究的，正確的返回路徑存在一個(gè)范圍,，稱為“再入走廊”,。

一個(gè)軌道的長(zhǎng)度大約是4萬公里，返回艙在哪個(gè)位置開始減速呢,？焦維新說,，這需要仔細(xì)計(jì)算，返回艙在這個(gè)特殊軌道,、特殊位置開始減速的時(shí)間范圍就是我們所說的再入窗口,。根據(jù)以往的情況，返回艙大概需要飛行1.5萬公里,。這個(gè)窗口一旦確定,，返回艙到達(dá)著陸場(chǎng)的時(shí)間其實(shí)不長(zhǎng)。

在約390公里高度,，兩次調(diào)姿,、軌返分離；約145公里高度,，推返分離,；距地面約10公里，開傘,；最后一步,，著陸，航天員出艙。

短短50分鐘的旅途,，一路的風(fēng)馳電掣,，一路的驚心動(dòng)魄，中國航天永遠(yuǎn)值得我們期待,！