载人航天|为什么“着陆”是载人航天中最难的技术,降落到底有多恐怖?

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话说平时坐飞机旅行时 , 在起飞和降落时 , 乘务员都会要求乘客系好安全带 。 那为什么会这样的呢?
飞机正常飞行时大多数是在平流层 , 相对来说是比较平稳的 , 极少会遇到波动 , 而在飞机起飞和降落时 , 气流等因素都会影响到飞机 , 因此 , 起飞和降落相对于飞行而言 , 危险系数更高 。
着陆技术
在航天领域 , 载人航天技术中的难度系数最高的莫过于返回着陆技术了 。 飞船在进入大气层后 , 由于要把速度降下来 , 而地球有一层厚厚大气 , 在高速进入大气层后 , 大气层会与飞船表面发生摩擦 , 摩擦会产生超高温度 。
如果不对温度进行控制 , 飞船最后就会被是烧毁 , 类似的事故其实就在历史上发生过 , 比如:哥伦比亚号由于意外事故导致隔热层被击穿 , 最后高温使得整架航天飞机解体 。
那一般如何对温度进行控制的呢?
首先 , 飞船要调整好角度, 如果是返回地球 , 那大概需要把返回的轨迹调整到与地面夹角成3度左右 , 这其实是为了调节到合适的摩擦强度 。 如果这个夹角太小 , 摩擦对于减速作用有限 , 飞船其实会类似于我们平时扔石子来“打水漂”一样 , 直接飞出 , 地球重新回到太空当中;如果这个夹角太大 , 摩擦就会过量 , 早成飞船的表面温度过高 , 最终烧坏飞船 。
在飞船下落过程中 , 飞船表面的温度可以达到2000~3000度左右 , 一般材料根本无法承受这个温度 , 要知道铁的熔点也就是1538摄氏度 。 因此 , 飞船表面都会有隔热层 , 其中是耐高温的复合材料 , 在与大气层摩擦时 , 这些复合材料会直接升华 。
这时候 , 超高温会在飞船表面形成一层等离子团 , 等离子团会影响到电磁波的传递 , 也就是说 , 在下落的过程中 , 等离子团会屏蔽掉信号 , 这就使得地面无法直接控制飞船 , 完全只能依靠飞船自动 。 我们也把这种处于“屏蔽信号”的状态称为“黑障”状态 , 而飞船所经过的这个区域也被称为黑障区 。 如果此时飞船内部有航天员的话 , 他会听到巨大的响声 。
当飞船距离地面还有大概10km左右时 , 由于大气层对飞船摩擦减速的作用 , 飞船的速度会降到和声速差不多 , 然后飞船会打开一层层的降落伞 , 依靠这些降落伞对飞船进一步减速 , 在即将接近地面时 , 还会启动反推火箭来辅助减速 , 最终可以把速度减少到2m/s左右 。
在这个过程中 , 任何一个环节出了问题 , 都有可能造成巨大的灾难 。 当然 , 还有一些环节出现的问题是直接造成落点不对 , 在早期航天技术刚发展时 , 一些宇航员常常落到距离原定地点几百公里外的地方 , 比如:人类史上第一位进入太空的宇航员加加林 , 他降落的地点是萨拉托夫州 , 整个地方与原定地点相距了400多公里 。
所以 , 飞船降落的过程中充满着不确定性 , 而整个过程中最重要的就是利用大气层来对飞船进行减速 , 而不是加速进入到大气层中 , 加速进入到大气层中只会造成飞船被烧毁 。
火星的“恐怖七分钟”
实际上 , 我们应该庆幸地球有一层厚厚的大气层 , 这一层大气的存在反倒让飞船返回地球变得相对简单一些 。 我们就拿火星来举例子 , 火星的大气非常稀薄 , 不到地球大气层的1% 。 如此稀薄的大气层对于飞船的减速能起到的效果很有限 。
所以 , 飞船要降落到火星上的难度要远远比降落到地球上更难 , 尤其“如何减速”一直是科学家很头疼的问题 , 要从大概6000m/s最后减到零 , 加上此时地球和火星直接传输信息最快也有40多分钟 , 还存在着“黑障状态”的问题 , 而整个过程大概要7分钟以上 , 因此 , 整个降落过程也被称为恐怖七分钟 。 有很多飞船千里迢迢几亿公里来到火星 , 然后最后在降落时失败了 , 火星也因此拥有了一个名号:探测器坟场 。
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