[科普中国]-返回舱

简介

一般载人航天器可分为推进舱、轨道舱和返回舱三部分。

推进舱又叫仪器舱，通常安装推进系统、电源、轨道制动，并为航天员提供氧气和水。推进舱的两侧还装有面积达20多平方米的主太阳能电池帆翼。

轨道舱是航天员的主要活动区域，除了升空和返回时要进入返回舱以外，其他时间航天员都在轨道舱里，轨道舱集工作、吃饭、睡觉和盥洗等诸多功能于一体。

返回舱又称座舱，它是航天员的“驾驶室”。是航天员往返太空时乘坐的舱段，为密闭结构，前端有舱门。返回舱和推进舱脱离后，返回舱返回，推进舱焚毁，而轨道舱相当于一颗对地观察卫星或太空实验室，它将继续留在轨道上工作一段时间。

结构要求密闭性与飞船其它载人舱段一样，返回舱有很高的密封性。但与轨道舱不同的是，返回舱在高温、高压作用下仍需保证气密性。

防烧蚀易散热为避免与大气剧烈摩擦产生的高热烧穿舱壁，返回舱表面涂有烧蚀材料，利用材料的热解、熔化、蒸发等方式散热。这种材料是石棉、玻璃与酚醛掺合形成的复合材料。直径2.5米的神舟返回舱表面积有22.4平方米，防热材料总重量约500千克。为避免局部过热，返回舱有滚转调姿发动机，会通过自转来均匀受热。

有了这么多保护措施，仍要考虑座舱破裂的可能性。届时身着密闭航天服的航天员将接管自动驾驶仪、通过手动操作备份系统，控制飞船紧急返回。 安全进入大气层后，还需进一步控制落地速度。

结构返回舱返回时会在重力的作用下重新进入大气层，气流千变万化将使高速飞行的返回舱难以保持固定的姿态，因此必须把返回舱做成不倒翁的形状，底大头小，不怕气流的扰动。 整个返回舱可分为三部分。

座舱返回时航天员所处区域，除了配备可以减小冲击力的座椅外，航天员的应急物品及仪器、胶卷、磁带、试验样品以及科学数据和遥感资料等都会放在这里。

神舟九号的返回舱内的坐椅非常像婴儿椅，因为返回的时候航天员必须要保持蜷缩的姿势，这是非常安全的姿势。 返回舱坐椅似婴儿椅，专家称可以减小冲击影响。在返回前这个坐椅还要提升起来，以缓冲落地时瞬间冲击所带来的冲击力。

防热层与大气剧烈摩擦时，会在舱表产生数千度的高温，如果不解决防热问题，飞船还没等落地就烧成了灰烬。返回舱表面有一层防热层，是用特殊的烧蚀材料做成的，防热原理就是通过材料的燃烧而把热量带走，经科学家试验研究发现，大钟的形状相对有利于实现防热目标。

国际上飞船返回舱的防隔热主要通过三种方法：一是吸热式防热，在返回舱的某些部位，采用导热性能好、熔点高和热容量大的金属吸热材料来吸收大量的气动热量；二是辐射式防热，用具有辐射性能的钛合金及陶瓷等复合材料，将热量辐射散发出去；三是烧蚀防热，利用高分子材料在高温加热时表面部分材料融化、蒸发、升华或分解气化带走大量热量的方法散热。1

我国的神舟系列飞船采用了自主研制开发的以烧蚀防热为主、以辐射式防热和隔热为辅的防隔热材料体系。采用先进的防隔热材料技术给返回舱穿上一层25毫米厚的“防热衣”，防热材料在巨大热流的作用下，自身分解、熔化、蒸发、升华，在消耗表面质量的同时带走大量的热，材料分解形成密实外壳向外辐射热量，并且内部未烧蚀的隔热区域，起到阻止热量进入返回舱的作用。以上因素共同决定了烧蚀防热材料具有良好的热防护功能，可使飞船内部温度控制在30摄氏度左右。1

降落伞返回舱在降落过程中，至少要“打”三把伞——引导伞、减速伞、主伞，共三把伞。如有必要,还有第四把伞——备份伞。中国神舟六号降落伞主伞的面积为1200平方米,全长达70多米，伞衣有20多米长，叠起来却只有一个手提包大小，重量仅90多公斤。动力装置 返回舱本身无动力，但飞船的样子是由两部分组成，前面一个小一些的椎体是返回舱，而后面还有一个较大的柱体可以称其为服务舱，哪里有动力等很多装置。当要返回时动力装置使飞船减速就可以使飞船以螺旋状轨道回到地面。当进入返回轨道后这两部分就会分离。

着陆方式返回舱承载了宇航员及大量的精密试验仪器，返回舱的成功回收是载人航天工程中至关重要的一个环节。返回舱在返回地面的过程中，一般都采用降落伞来降低其着陆速度。由于受降落伞的设计着陆速度限制，载人航天返回舱在陆地上的着陆速度一般为6-7m/s，而对无人返回舱可达10-14m/s。返回舱以这样大的着陆速度着陆时会在着陆瞬间产生很大的冲击，对舱内宇航员及仪器设备造成较大影响。2

返回舱着陆冲击系统包括返回舱和着陆场地面两部分。3返回舱的着陆冲击过程主要得到以下结论：

（1）返回舱大底上远离落点位置达到应力峰值的时间相对落点位置有所滞后，同时落点处的应力值随着陆速度的变化较小，而距落点较远的位置则随着陆速度的变化幅度较大；（2）从加速度响应看，由于大底的缓冲作用，大梁上的加速度响应峰值大底上有明显减小，且加速度响应值在40-80Hz频率范围内较大；（3）从冲击能量的分配情况可以看出，着陆地面是冲击能量吸收的主体，而大底则是返回舱上最主要的吸能部位，在返回舱的结构设计中应充分发挥大底的缓冲作用。2

海面着陆返回舱入水后将自动释放出染色剂，把周围海水染为荧光色，并及时发出GPS定位信号，方便救援人员在海上快速发现目标。降落的返回舱根据其技术和使用特性(密封性、飘浮性、携带有生保设备等)能够保障航天员长时间生存在其中。当返回舱溅落在海面上时，航天员为生存进行的活动包括：选择适宜返回舱停留的地点和停留姿态；使用舱载无线电系统与外界联系；利用返回舱内的应急物品；着航天服或潜水衣离开返回舱。航天员离开返回舱后漂游时进行的活动包括：建造救生筏以便乘员组集体行动；给潜水衣充气；食用便携式应急装备内的食物和水；使用应急无线电及光学信号设备同外界联系；向搜索救援直升机或舰船靠近。当返回舱飘浮在水面上，而换气孔关闭时，如果返回舱内的温度和气体成分在允许的范围内，那么为了保障安全，航天员留在返回舱内更为合适。除非万不得己，航天员不会离开返回舱。美国“水星”“双子星座”和“阿波罗”系列载人飞船均选择海上回收。3

地面着陆当返回舱降落在沙漠上时，航天员应利用返回舱和降落伞建造防风沙掩体。冬季，当返回舱降落在森林沼泽地或冻土地时，航天员应利用返回舱与其他器材建造防寒掩体。

着陆过程载人飞船完成预定任务后，载有航天员的返回舱要返回地球，整个返回过程需要经过制动离轨、自由下降、再入大气层和着陆4个阶段。4

制动离轨段飞船通过调姿、制动、减速，从原飞行轨道进入返回轨道的阶段称制动离轨段。返回前，飞船首先要调整姿态，使飞船在水平方向逆时针转动90°，由轨道舱在前、返回舱居中、推进舱在后的状态变为横向飞行状态，这是飞船的第一次调姿。紧接着，轨道舱与返回舱以每秒1～2米的相对速度分离，轨道舱留在太空轨道继续运行，这就是轨道舱分离。此时，飞船变成了推进舱和返回舱的组合体。如右图。两舱组合体继续逆时针转过90°，变成推进舱在前、返回舱在后的飞行状态，同时再调整俯仰角达到制动要求，这是飞船的第二次调姿。飞船推进舱上的发动机点火工作，产生与飞船飞行方向相反的作用力，使飞船飞行速度降低，从而脱离原飞行轨道进入返回轨道，这个制动过程可比喻为“刹车”。4

自由下降段飞船从离开原运行轨道到进入大气层之前，空气阻力很小，主要是在地球引力的作用下呈自由飞行状态，因此，这个阶段称为自由下降段或过渡段。在这个飞行阶段，飞船按照计划要完成推进舱分离、建立再入姿态等重要飞行事件。其中，推进舱在与返回舱分离后，会在进入大气层后烧毁。返回舱建立正确的再入姿态角（速度方向与当地水平面的夹角）是一项重要的工作，这个角度必须精确地控制在一定的范围内，如果角度太小，飞船将从大气层边缘擦过而不能返回；如果角度太大，飞船返回速度过快，将像流星一样在大气层中被烧毁。4

再入段从返回舱进入稠密大气层到其回收着陆系统开始工作的飞行阶段称为再入段。飞船返回时从离轨时的真空环境再次进入大气层，这个阶段称为再入段。再入大气层的高度一般为80～100千米。返回舱进入稠密大气层后，承受气动加热和再入过载，是返回过程中环境最为恶劣的阶段。随着高度的降低，空气密度越来越大，返回舱与空气剧烈摩擦，使其底部温度高达数千摄氏度，返回舱周围被火焰所包围，因此，对返回舱要采取特殊的防热措施。返回舱下降到一定高度时，接收不到地面发送的无线电信号，地面也接收不到返回舱发送的无线电信号，因此，这个区域被称为无线电“黑障区”。当返回舱轴向过载达到规定指标时，返回舱实施升力控制，使返回舱过载不超出航天员所能承受的范围，并且用升力控制来控制返回舱落点位置，使返回舱返回预定着陆场。4

着陆段返回舱从打开降落伞到着陆这个过程称为着陆段。随着高度的降低和速度的减小，返回舱所受到的气动阻力与地球引力渐趋平衡，返回舱以大约每秒200米的均速下降。但如果返回舱以这个速度冲向地面，后果将不堪设想，所以必须使返回舱进一步减速。在距地面10千米左右高度，返回舱的回收着陆系统开始工作，先后拉出引导伞、减速伞和主伞，使返回舱的速度缓缓下降，并抛掉防热大底，在距地面1米左右时，启动反推发动机，使返回舱实现软着陆。为增加着陆的可靠性，返回舱上除装有主降落伞系统外，还装有面积稍小的备份降落伞系统。一旦主降落伞系统出现故障，可在规定高度应急启用，使返回舱安全着陆。4