神十三完美著陸!伽馬高度計:究竟有多重要?美國為何不需要?

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神舟十三號飛船已經返回,航天員也已經出艙,不過各位看得比較仔細的朋友已經發現瞭一個問題,和前幾次返回著陸時的返回艙滿地滾不一樣,這次是直立狀態下穩穩的在東風著陸場的戈壁灘上。

返回艙直立,神六以來第一次!

為什麼以前都滾在地上,這次能直立狀態?到底是運氣還是技術?下文做個簡單的分析。

神舟十二返回

著陸姿態和哪些因素有關?

從9:05分減速離軌開始,到145千米處拋掉推進艙,再到80千米處進入黑障,然後再是40千米處出黑障,最後在10千米處開傘,到著陸,然後開啟反推發動機軟著陸,就如如下圖解:

在這個過程中,與著陸姿態影響有影響隻有10千米以下的那段,因為此時的飛船姿態和降落傘以及當時的風速有關,據氣象預報稱,東風著陸場的風速為每秒8米,算是比較大的風瞭,在強風下,降落傘會被吹跑。

在空中的姿態時就會左右搖晃得厲害,如果是在“搖頭晃腦”情況下著陸,那麼翻倒的概率還是挺大的,當然更關鍵的是著陸後的動作,此時飛船的下部已經固定,上半部分還被降落傘繩吊著,因此大風如果將傘刮走的話,甚至可能拖著飛船滿地滾。

那麼該怎麼辦呢?切傘!在飛船落地後,但傘尚未被刮跑時就要果斷切傘,因為此時降落傘已經沒有用處瞭,切掉後飛船就會穩穩的停留在遠處瞭。

但這個過程技術和運氣的占比都比較大,首先是切傘的時機是由航天員自己控制的,落地後對位置自身狀態的判斷以及反應能力是一個考驗。

另一個問題則是落地位置,如果落地位置平穩,那麼鐘形飛船的重心本來就比較低,它卻是可以保持在直立狀態,但一旦落地位置是個斜坡,那麼就有可能繼續滾落,一直到穩定狀態。

因此就這個落地直立狀態而言,隻能說技術加上運氣,僥幸的成分還是比較大的,之所以大傢追求直立狀態是因為航天員適應瞭無重力環境,到地球上後半躺著比較舒服,而直立狀態的飛船內,航天員就是半躺著的。

伽馬高度計:對返回究竟有多重要?

對於飛船落地的看點中最重要的幾個階段,黑障階段,拉著一條長長的“火焰”返回地球,然後開傘,晃悠悠落下,最後就是落地前1米高度時的發動機反推,地面冒氣一陣煙霧,反推發動機準確打開,飛船速度降到2米/秒以下,軟著陸成功!

飛船怎麼知道距離地面還有1米高?

相信很多朋友都嗤之以鼻,無線電高度計不就可以瞭麼?這個有什麼難度,隨便什麼飛機上都有個無線電高度計,這還要大吹特吹嗎?其實完全不是各位想象的那樣,且看下文簡單來說說,為何飛船的伽馬高度計要求那麼高!

飛船著陸系統是在10千米高度被激活的,其過程大概如下:

從出黑障開始後,返回艙一直都是自由下落,到距地面10千米高度時,靜壓高度控制器判斷高度,發出回收系統啟動信號,回收著陸系統開始工作。

靜壓高度控制器是程序控制的子系統,它與回收配電器、火工控制器、程序控制器、行程開關等分工配合,控制不同的功能,發出程序控制指令信號給執行機構完成規定的彈傘艙蓋拉引導傘、拉減速傘、減速傘分離拉主傘、主傘解除收口、拋防熱大底、轉垂掛等一系列不可逆的動作,每個環節必須精準無誤,其中高度為最重要的判斷依據。

而在這些動作之後最關鍵的一點是在距離地面1米高位置時打開反推,此時的飛船大約以8~10米的速度下落,四臺發動機精準開機,產生月12噸的推力,將這個數噸重的著陸飛船速度降低到2米/秒以內,保證航天員平穩著陸不受傷。

因此高度的精確判斷就成為瞭飛船回收是否成功的重要數據,獲取高度也成瞭一個重要的課題,用什麼高度計最準確、體積小而且穩定可靠重量也輕呢?

那種高度儀合適?

氣壓高度計顯示不行的,因為它指標是和海平面之間的壓差來判斷高度,不僅會受到當地氣壓環境影響,比如高氣壓控制火災臺風時的低氣壓環境,而且還會受到地面高度的影響,比如青藏高原平均海拔4千米,但已經在地面上瞭,另一個則是氣壓高度計精度誤差太大。

那麼無線電高度計呢?這個無線電波射向地面再返回兩個行程中光速時間差的二分之一計算的,對於很小高度上的測高數值差異也不大,但這對飛機這種飛行器是滿足要求的,而對於飛船這種要求在1M高度準確感知要求卻相去甚遠,誤差還是太大。

更高精度的測高則是激光高度計,比如嫦娥五號在距離月面30千米高度時的誤差隻有60毫米,另一種高度儀則是伽馬射線高度儀,這個不僅準確度極高,而且穿透力也非常強,和激光高度儀相比,其近距離測高尤其適合。

為什麼?原因也很簡單,伽馬射線這種高度計裝置會向地面發射γ光子,並接收散射回的光子。距離很遠時由於散射太大,返回的光子很少,隨著距離越來越小,散射就變小瞭,到最後幾乎都反射回來。

那麼可以設計一種能在1米高度時達到一個閾值,然後檢測這個閾值即可知道距離有多高瞭,其精度完全可以滿足載人航天的需求。

伽馬射線高度儀:從進口到國產

我國自主研制的伽馬射線高度測量儀器在返回艙臨近地面時的測高發揮瞭至關重要的作用,它可以在距離地面1米的高度上進行誤差僅為40毫米的精確測量,光明網在2020年5月2日發佈一篇標題為《真·“拼命三郎”》的稿子,介紹瞭我國伽馬射線高度儀的研發過程。

神舟一號到神舟七號,伽馬射線高度儀一直引進使用國外產品,成為飛船上唯一沒有實現國產化的關鍵單機設備。從2000年初,王征和他的團隊,埋頭苦幹,刻苦鉆研,解決瞭神舟八號返回艙“軟著陸”等科技難題,此後的伽馬射線高度儀就變成瞭純國產。

而且嫦娥四號與五號等月面著陸的航天器也用上瞭國產的伽馬射線高度儀,穩定可靠,精確控制,在這些航天技術突破的背後,都有數不清的科學傢在背後努力!

美國為何不用?

有很多文章的標題中就是美國人不用,其實我們相信美國人也是用的,比如美國人的火星探測器著陸,這是必定要用的設備,美國人沒有理由不用,但美國的載人航天卻不需要,這究竟是什麼原因呢?

原因很簡單,美國人的飛船著陸地是大西洋,飛船在降落傘減速後的速度在8~10米/秒左右,然後直接濺落海面,提供瞭緩沖的過程,所以既不要著陸反推發動機,也不需要伽馬射線高度儀,這一點你沒法和美國比,因為美國周圍都是海洋,而我國無論是東部還是南部,作為回收場都太狹小,而廣袤的西北很合適卻是陸地。

因此從航天入門來看,我國就比美國要高得多!不過也不是著陸反推發動機是唯一選項,我國新一代飛船不僅外觀大改,而且著陸的緩沖也從發動機改成氣墊,當然無論是發動機還是氣墊,目的都是保證航天員平安歸來。

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  • 本文由 发表于 2022年4月16日
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