太空出差三人組安全返回地球，背后離不開(kāi)這些硬核“助手”

在圓滿(mǎn)完成各項(xiàng)試驗(yàn)任務(wù)之后，太空出差三人組航天員翟志剛、王亞平和葉光富結(jié)束了太空生活，安全返回地球。

4月16日10時(shí)許，神舟十三號(hào)載人飛船返回艙在東風(fēng)著陸場(chǎng)成功著陸，航天員翟志剛、王亞平、葉光富平安返回、感覺(jué)良好。飛行乘組在空間站組合體工作生活了183天，創(chuàng)下了中國(guó)航天員連續(xù)在軌飛行時(shí)長(zhǎng)新紀(jì)錄，至此中國(guó)空間站關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段任務(wù)完成，即將轉(zhuǎn)入在軌組裝建造階段。

從半年前出差太空到如今神十三返回艙成功著陸，有哪些硬核“助手”護(hù)航航天員乘組平安“回家”？

著陸反推發(fā)動(dòng)機(jī)毫秒必爭(zhēng)

著陸反推發(fā)動(dòng)機(jī)是神舟十三號(hào)飛船上的重要設(shè)備，是決定航天員能否安全回家的最后一棒，也決定著飛行任務(wù)的最終成敗。著陸反推發(fā)動(dòng)機(jī)能否成功點(diǎn)火，能否正常工作，關(guān)系到返回艙中的航天員能否安全回家。

中國(guó)航天科技集團(tuán)八院（下稱(chēng)“八院”）動(dòng)力所從1994年以來(lái)就致力于反推發(fā)動(dòng)機(jī)的研究。“這是我們的發(fā)動(dòng)機(jī)在軌時(shí)間最長(zhǎng)的一次，我們必須確保發(fā)動(dòng)機(jī)的高可靠性和高安全性，從而保證飛船返回艙走穩(wěn)歸航路。”談起與前幾次任務(wù)的不同時(shí)，所項(xiàng)目指揮孫福合對(duì)第一財(cái)經(jīng)表示，從神舟十二號(hào)的33天到神舟十三號(hào)的183天，超長(zhǎng)時(shí)間的太空待機(jī)將給發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。

因?yàn)樘窄h(huán)境復(fù)雜，著陸反推發(fā)動(dòng)機(jī)隨返回艙升空后將經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間太空繞行、下降返回等多次復(fù)雜的環(huán)境考驗(yàn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性要求極高。

“雖然我們有著研制著陸反推發(fā)動(dòng)機(jī)的深厚基礎(chǔ)，對(duì)相關(guān)的結(jié)構(gòu)也都再熟悉不過(guò)了。但我們還是給發(fā)動(dòng)機(jī)羅列了所有可能會(huì)遇到的環(huán)境條件，并為其策劃了全面的考核試驗(yàn)，以此來(lái)確保發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)輸、裝卸、貯存、使用過(guò)程中的結(jié)構(gòu)完整性和可靠性。”孫福合說(shuō)。“針對(duì)外太空復(fù)雜嚴(yán)酷的環(huán)境條件，我們必須要考慮得再深入一點(diǎn)，驗(yàn)證得再充分一點(diǎn)，這樣我們的航天員就能更多一分安全。”發(fā)動(dòng)機(jī)副主任設(shè)計(jì)師何鵬說(shuō)道。

此外，返回艙的著陸過(guò)程對(duì)于航天員來(lái)說(shuō)也是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。在經(jīng)歷灼燒、黑障、開(kāi)傘減速等程序后，返回艙仍然有近每秒9米的速度。而此時(shí)航天員是背部朝下面朝天坐在返回艙里，如此高的著陸速度將損傷航天員的頸椎。為了確保他們的安全，必須進(jìn)一步降低沖擊。而這一關(guān)鍵的“剎車(chē)”過(guò)程就將由4臺(tái)反推著陸發(fā)動(dòng)機(jī)完成。

返回艙的這腳“剎車(chē)”踩早了不行，踩晚了也不行，只有時(shí)機(jī)和時(shí)長(zhǎng)分秒不差，才能確保返回艙體平穩(wěn)、安全落地。為此，動(dòng)力所的設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)了一套精彩的“剎車(chē)”動(dòng)作：在返回艙距離地面1米時(shí)，4臺(tái)反推著陸發(fā)動(dòng)機(jī)必須在10毫秒內(nèi)同時(shí)點(diǎn)火，大量燃?xì)獾姆e聚將在燃燒室內(nèi)形成高壓，最終從尾部的噴口中噴出，以反推力來(lái)減緩降落速度。

這四臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的個(gè)頭和重量雖然都不大，每臺(tái)都能在瞬間產(chǎn)生大約3噸的巨大推力，4臺(tái)一起工作，就有十多噸的推力。這股巨大的反推力有效地抑制了返回艙的下墜勢(shì)頭，大大降低了飛船的下降速度，減輕了航天員著陸過(guò)程中受到的過(guò)載沖擊，提高了返回艙降落過(guò)程中最后一個(gè)環(huán)節(jié)的安全性。

“超長(zhǎng)待機(jī)”的電源分系統(tǒng)

自2021年10月16日發(fā)射，神舟十三號(hào)已成功運(yùn)行近6個(gè)月，是在軌時(shí)間最長(zhǎng)的載人飛船。

八院811所研制的電源分系統(tǒng)，為這艘在軌時(shí)間最長(zhǎng)、返回時(shí)間最快、在軌并網(wǎng)供電次數(shù)最多的神舟飛船正常運(yùn)行、安全返回提供保障。

為了確保飛船安全返回，一個(gè)多月前，神舟十三號(hào)電源分系統(tǒng)順利通過(guò)了一場(chǎng)返回前的 “模擬大考”。

811所神舟飛船電源分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師鐘丹華介紹，電源分系統(tǒng)配合總體對(duì)神舟十三號(hào)上所有的設(shè)備進(jìn)行加電，對(duì)這些設(shè)備一一進(jìn)行開(kāi)機(jī)巡檢，“因?yàn)樵谂c空間站成功對(duì)接后，飛船上許多設(shè)備進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)。在軌運(yùn)行期間，電源分系統(tǒng)僅需提供1/2到1/3的額定能量。開(kāi)機(jī)巡檢，是對(duì)電源分系統(tǒng)在額定負(fù)載下的供電能力的考核。”

同時(shí)，配合總體開(kāi)展飛船的能量平衡分析，進(jìn)行故障預(yù)案的推演和發(fā)電能力的評(píng)估。結(jié)果顯示，神舟十三號(hào)在軌運(yùn)行期間，電源分系統(tǒng)整個(gè)供電狀態(tài)非常好，“雖然已經(jīng)在軌工作近6個(gè)月，太陽(yáng)電池翼的發(fā)電能力和飛船入軌初期基本沒(méi)變化”，鐘丹華說(shuō)道。

在軌期間，神舟十三號(hào)與空間站成功開(kāi)展了6次并網(wǎng)供電，驗(yàn)證了空間站的智能用電模式。

鐘丹華介紹，“神舟十三號(hào)在軌的六個(gè)月，經(jīng)歷了空間站組合體對(duì)地飛行、慣性飛行，以及天舟二號(hào)轉(zhuǎn)位試驗(yàn)等復(fù)雜遮擋情況。6次并網(wǎng)供電最短2天，最長(zhǎng)5天，確保飛船正常運(yùn)行的同時(shí)，考核了電源分系統(tǒng)適應(yīng)全遮擋工作的能力，也驗(yàn)證了空間站核心艙的徑向口最大提供載人飛船1400瓦供電能力的設(shè)計(jì)指標(biāo)。”

據(jù)介紹，神舟十三號(hào)飛船首次采用5圈快速返回的方案，分離到落地僅需10小時(shí)。從6.5小時(shí)的快速對(duì)接，到10小時(shí)的快速返回，航天員的乘坐舒適度更高了。

鐘丹華表示，由于此次是首次在徑向復(fù)雜遮擋條件下，開(kāi)展組合體分離等返回動(dòng)作，電源的重點(diǎn)工作是保證在任何角度和工況下，飛船能夠安全地實(shí)施分離，順利進(jìn)入自主飛行狀態(tài)。“電源分系統(tǒng)需要根據(jù)太陽(yáng)入射角和遮擋情況，制定飛船實(shí)施分離期間的供電保障方案。從目前預(yù)計(jì)的返回時(shí)間來(lái)看，太陽(yáng)入射角比較理想，可以說(shuō)是一個(gè)比較柔和的返回過(guò)程。”

由于近期本土疫情限制了人員流動(dòng)，為確保神舟十三號(hào)在返回期間，電源分系統(tǒng)地面監(jiān)控工作的可靠執(zhí)行，811所研制人員制定了“三地聯(lián)動(dòng)”飛控策略。

“北京、酒泉、上海，三地同步神舟十三號(hào)返回電源分系統(tǒng)地面監(jiān)控工作。其中最挑戰(zhàn)的在酒泉。從進(jìn)入酒泉基地，到神舟十三號(hào)返回，中間僅有一天的時(shí)間。我們需要在這段時(shí)間內(nèi)，啟動(dòng)各種設(shè)備、打通與北京的通訊鏈路，這是一場(chǎng)與時(shí)間的賽跑，確保特殊時(shí)期，保障航天員成功返回。” 鐘丹華說(shuō)。

標(biāo)簽： 發(fā)動(dòng)機(jī)的 載人飛船 環(huán)境條件 快速返回 返回時(shí)間