我國“神舟十二號”飛船乘組的3名航天員已經(jīng)在“天宮”空間站的“天和”核心艙工作了近3個月，按計劃，他們將于9月中下旬乘“神舟十二號”飛船返回地面。
飛船返回地面，要由飛船系統(tǒng)、航天員系統(tǒng)和著陸場系統(tǒng)等共同完成，技術(shù)較為復(fù)雜。此次“神舟十二號”航天員是首次從空間站返回地面，載人的返回艙首次在東風(fēng)著陸場著陸，所以更有一些與以往不同的特點(diǎn)。我們約請全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩和讀者聊聊有關(guān)的科學(xué)問題。
神舟飛船返回艙著陸
飛船返回分為四個階段
簡單地說，飛船返回地面是飛船脫離原來的飛行軌道，沿一條下降的軌道再入地球大氣層，通過與空氣摩擦減速，安全降落到地面上的過程。“神舟”飛船的返回可分為以下四個階段。
第一階段是制動減速階段。要使飛船返回地面，必須降低飛船的飛行速度，改變飛行方向，使其脫離原來的飛行軌道，進(jìn)入下降飛行的軌道。
具體過程為，首先是“神舟十二號”飛船與“天和”核心艙之間的對接機(jī)構(gòu)進(jìn)行解鎖，使2個航天器脫開。然后啟動推進(jìn)系統(tǒng)，產(chǎn)生分離速度。同時啟動2個航天器的姿控和軌控系統(tǒng)，保證飛船按預(yù)定要求撤離。
飛船在太空中運(yùn)行最后一圈時，地面向飛船發(fā)出返回指令，飛船隨即調(diào)整姿態(tài)，相對前進(jìn)方向向左偏航（逆時針轉(zhuǎn)）90°，變成橫向飛行狀態(tài)，這是第一次調(diào)整姿態(tài)；然后軌道艙與返回艙以1～2米/秒的相對速度分離；然后返回艙與推進(jìn)艙組合體再向逆時針方向轉(zhuǎn)90°，使推進(jìn)艙朝前，這是第二次調(diào)整姿態(tài)；達(dá)到這種制動姿態(tài)后，飛船推進(jìn)艙上的發(fā)動機(jī)點(diǎn)火工作，使飛船降低速度，進(jìn)入到返回地球的軌道。
第二階段是自由滑行階段。返回艙與推進(jìn)艙組合體離開原來的運(yùn)行軌道后，就以無動力飛行狀態(tài)自由下降。當(dāng)返回艙與推進(jìn)艙組合體高度降至距離地面140千米時，推進(jìn)艙和返回艙分離，推進(jìn)艙在進(jìn)入大氣層時燒毀，返回艙繼續(xù)下降，并消除由于兩艙分離時產(chǎn)生的返回艙姿態(tài)分離干擾，建立正確的再入姿態(tài)角（速度方向與當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角），準(zhǔn)備再入大氣層。這個角度必須精確地控制在一定的范圍內(nèi)，一般為1.5°至1.7°，因為如果返回艙的再入姿態(tài)角太大，返回艙在再入大氣層時會由于速度太快，而使最大過載超標(biāo)，航天員受不了，返回艙甚至?xí)窳餍且粯釉诖髿鈱又袩龤В蝗绻偃胱藨B(tài)角太小，返回艙會從大氣層邊緣擦邊而過，無法返回。
第三階段是再入大氣層階段。返回艙在距離地面100千米時開始再入大氣層。返回艙以7.9千米/秒的速度再入大氣層時，會與大氣產(chǎn)生劇烈摩擦，使返回艙變成了閃光的火球，周圍產(chǎn)生的等離子氣體層，屏蔽了電磁波，這時返回艙表面和大氣層摩擦形成“黑障”，使返回艙暫時與地面失去聯(lián)系，直到距離地球約40千米處時黑障消失，返回艙與地面的聯(lián)系又恢復(fù)了。
在再入大氣層的過程中，從再入大氣層到20千米高度期間，返回艙通過對飛船側(cè)傾角的變化來實現(xiàn)返回升力控制，使返回時的過載不大于4g（重力加速度單位），而且可以比較精確地返回到著陸場。
第四階段是回收著陸階段。在距地面約10千米時回收著陸系統(tǒng)開始工作。它先打開傘艙蓋，然后依次拉開引導(dǎo)傘、減速傘、牽頂傘和主降落傘。其中減速傘可把返回艙的速度從200米/秒減至60～70米/秒，主降落傘可把返回艙的速度由70米/秒減至5～6米/秒。另外，返回艙降到一定高度（距地面約5.5千米）還要拋掉返回艙的防熱大底，以便露出返回艙底部的反推發(fā)動機(jī)。在距地面1米左右時，4臺反推發(fā)動機(jī)點(diǎn)火，使返回艙以大約3米/秒的速度軟著陸，從而保證航天員著陸時的安全。
返回艙安全著陸后，其標(biāo)位系統(tǒng)開始工作，指示自己所在位置，以使搜索救援系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。這次為了能快速而準(zhǔn)確地找到返回艙，保證整個任務(wù)的成功和航天員的生命安全，航天五院510所新研制了國際救援示位標(biāo)，它集定位信息獲取、數(shù)據(jù)處理、編碼調(diào)制發(fā)射于一體，具有高定位準(zhǔn)確性，可實現(xiàn)緊急狀態(tài)下救援的可靠性和實效性。
返回艙與推進(jìn)艙分離示意圖
返回艙再入大氣層示意圖
首次啟用副著陸場
在返回艙著陸過程中，著陸場系統(tǒng)將發(fā)揮重要作用。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)飛船返回艙的返回測量、搜索尋找和航天員的營救。
選擇著陸場涉及許多技術(shù)和社會問題，因為選擇著陸場不僅要考慮發(fā)射場的位置、運(yùn)行軌道傾角和高度、返回制動點(diǎn)位置、返回艙返回軌道和航天員的安全等，還與我國經(jīng)度緯度覆蓋范圍、大陸的地形地貌地質(zhì)、氣象、交通、陸上著陸海上濺落的搜救能力等密切相關(guān)。
根據(jù)上述要求，經(jīng)過大量的勘測、調(diào)研、分析和比較，我國最終選擇了內(nèi)蒙古中部四子王旗地區(qū)作為主著陸場。考慮到氣象相關(guān)性小、地勢平坦開闊、返回機(jī)會多、測控設(shè)備可充分利用等因素，我國選擇了距離主著陸場1000千米的酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心東南部地區(qū)為副著陸場，即東風(fēng)著陸場。
這次“神舟十二號”飛船返回難度比以往大。一是因為在“神舟十二號”之前，載人飛船都從固定的軌道返回地球，但在空間站任務(wù)中，空間站的軌道高度會隨著不同時間節(jié)點(diǎn)有一些變化，為了節(jié)省空間站推進(jìn)劑的消耗，將不為了飛船返回而調(diào)整空間站的軌道，所以飛船再入點(diǎn)不再是固定的了，為此，“神舟”團(tuán)隊對返回軌道重新進(jìn)行了適應(yīng)性的設(shè)計，使載人飛船返回高度從固定值調(diào)整為相對范圍，并改進(jìn)返回的算法，提高了載人飛船返回適應(yīng)性和可靠性。
二是因為“神舟十二號”不再是在過去常用的四子王旗主著陸場著陸，而是在東風(fēng)著陸場著陸。東風(fēng)著陸場位于內(nèi)蒙古阿拉善盟額濟(jì)納旗的中南部地區(qū)。場區(qū)的南部是巴丹吉林沙漠的一條小沙帶，東部漸漸進(jìn)入巴丹吉林沙漠，其理論瞄準(zhǔn)點(diǎn)位于載人航天發(fā)射場的東南方向。場區(qū)東西平均寬約120千米，南北長約190千米，從中可以選出幾塊區(qū)域作為著陸區(qū)。該地區(qū)屬溫帶干旱荒漠氣候，冬季干冷，夏季炎熱，少雨，多風(fēng)。由于該著陸場位于沙漠和戈壁上，也有山地等高凸或坑洼的地形，所以搜索救援難度比以前高，這回將首次檢驗東風(fēng)著陸場的搜索救援能力。
在返回艙著陸過程中和著陸后，地面搜救工作舉足輕重。目前，我國一般采用“空中搜救航天員，地面處置返回艙”的模式，這樣可以實現(xiàn)“快速定位、快速到達(dá)、安全出艙”。因此，著陸場搜救通常包括空中搜索和地面搜索救援回收兩個部分。
空中搜索直升機(jī)一般配置7架：指揮機(jī)1架，通信機(jī)1架，搜救機(jī)1架，醫(yī)學(xué)監(jiān)督和醫(yī)學(xué)保障機(jī)1架，醫(yī)療救護(hù)機(jī)3架，它們均安裝了“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，動態(tài)信息可實時傳回北京航天飛控中心，主要負(fù)責(zé)返回艙搜索和航天員救援。
搜索方式在空間上形成重疊的3個層次：一是遠(yuǎn)距離搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，在返回艙出黑障前，用雷達(dá)對返回艙進(jìn)行跟蹤測量，預(yù)報著陸點(diǎn)位置；二是中距離搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，在返回艙出黑障后，利用統(tǒng)一S頻段測量設(shè)備跟蹤測量返回艙至主傘的開傘點(diǎn)，直升機(jī)甚高頻定向儀接收信標(biāo)信息并跟蹤返回艙至落點(diǎn)；三是近距離搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，以著陸點(diǎn)的預(yù)報位置為中心，用直升機(jī)定向儀和車載高頻定向儀搜索尋找返回艙。
在直升機(jī)搜救航天員的任務(wù)完成后，返回艙的處理和運(yùn)送任務(wù)就交由指揮調(diào)度車、工程運(yùn)輸車、航天員運(yùn)輸車、返回艙吊車和載荷運(yùn)輸車等特種車輛組成的地面搜索回收車隊，他們負(fù)責(zé)現(xiàn)場返回艙后續(xù)處置和回收，按預(yù)定程序進(jìn)行現(xiàn)場相關(guān)處置，將返回艙和有效載荷運(yùn)至附近火車站，經(jīng)鐵路轉(zhuǎn)運(yùn)北京。
主傘攜帶返回艙穩(wěn)定下降
救援直升機(jī)
著陸后醫(yī)監(jiān)醫(yī)保很重要
搜救隊通過服裝顏色區(qū)分工作種類，紅色工作服是著陸場系統(tǒng)的搜救人員，白色工作服是航天員系統(tǒng)的醫(yī)學(xué)監(jiān)督和醫(yī)學(xué)保障（簡稱醫(yī)監(jiān)醫(yī)保）人員，藍(lán)色工作服是飛船系統(tǒng)的返回艙處置人員。
一般先由返回艙處置人員先檢查返回艙，包括反推發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑是否有殘留，用特制的γ射線源防護(hù)蓋屏蔽返回艙底部的γ高度計的γ源，防止輻射給救援人員帶來危害。接著，打開返回艙艙門，醫(yī)監(jiān)醫(yī)保人員進(jìn)入返回艙對航天員健康狀況進(jìn)行初步的醫(yī)學(xué)檢查和確認(rèn)，在返回艙內(nèi)協(xié)助航天員初步對地面重力進(jìn)行再適應(yīng)，包括肢體運(yùn)動，逐步站立適應(yīng)，補(bǔ)充飲用水和營養(yǎng)液。航天員出艙后，還需要對返回艙再次進(jìn)行安全處理，首先關(guān)閉返回艙電源，取出備用火工品備用單元，然后卸下高度計的γ源后存儲于專用保護(hù)容器內(nèi)等。
由于“神舟十二號”航天員飛行了3個月，航天員在太空的工作量大，比較疲勞，立位耐力下降較多，所以“神舟十二號”航天員著陸后需在艙內(nèi)用較長時間來適應(yīng)地面重力環(huán)境，然后在工作人員協(xié)助下出艙，并且出艙后所有活動全部采取坐位，以確保航天員安全。這是因為航天員在長期失重環(huán)境中生活和工作后，會出現(xiàn)骨質(zhì)疏松、肌肉萎縮和立位耐力差等問題，如果自己走容易摔倒甚至骨折。返回地面初期，應(yīng)避免與航天員擁抱，更不能因興奮而向空中拋擲航天員。
此后，醫(yī)監(jiān)醫(yī)保人員在醫(yī)監(jiān)醫(yī)保直升機(jī)內(nèi)協(xié)助航天員脫下航天服，實施衛(wèi)生清潔，更換內(nèi)衣；對航天員進(jìn)行體檢，采集樣本，收集生理數(shù)據(jù)；評價航天員的健康狀況，給予必要的醫(yī)監(jiān)醫(yī)保處置；送航天員登機(jī)并全程陪護(hù)。
如果遇到航天員出現(xiàn)傷病時，到達(dá)現(xiàn)場的醫(yī)療救護(hù)人員，要利用現(xiàn)場醫(yī)療技術(shù)和保障條件，對航天員實施必要的緊急現(xiàn)場醫(yī)學(xué)處置，包括骨折固定，創(chuàng)面或傷口止血和包扎。
航天員回到北京后要進(jìn)行身體恢復(fù)，一般分為醫(yī)學(xué)隔離期、醫(yī)學(xué)療養(yǎng)期和恢復(fù)療養(yǎng)期三個階段。
醫(yī)學(xué)隔離期約為14天。航天員在航天員公寓內(nèi)適應(yīng)地球重力環(huán)境，提高心血管系統(tǒng)和支持運(yùn)動器官功能，提高立位耐力，消除飛行后疲勞。
在隔離期內(nèi)，航天員醫(yī)生要對航天員實施醫(yī)學(xué)檢查，包括臨床各科常規(guī)檢查、立位耐力檢查、平衡功能檢查、人體成分分析、心血管調(diào)節(jié)與控制功能、人體功能狀態(tài)檢測等。重要檢查項目要進(jìn)行動態(tài)跟蹤，實行檢查與體質(zhì)訓(xùn)練、恢復(fù)相結(jié)合，按照循序漸進(jìn)的原則逐漸增大負(fù)荷。可以適當(dāng)為航天員安排一些平衡訓(xùn)練、步行訓(xùn)練、醫(yī)療體操游泳、手法放松等。
根據(jù)臨床醫(yī)學(xué)檢查、生理功能檢查結(jié)果，航天員醫(yī)生要對航天員健康狀況進(jìn)行綜合分析和評估，以指導(dǎo)后續(xù)的恢復(fù)措施。在這期間，航天員與外界基本隔絕。
醫(yī)學(xué)療養(yǎng)期大約20～30天。航天員將入住天氣好、空氣好的療養(yǎng)院，在繼續(xù)恢復(fù)健康的同時逐漸增加活動量。可安排航天員康復(fù)療養(yǎng)，以進(jìn)一步增強(qiáng)航天員體質(zhì)，加強(qiáng)生理機(jī)能儲備，提高防病抗病的能力，使航天員盡快恢復(fù)到飛行前狀態(tài)。在療養(yǎng)院可安排景觀治療、體能鍛煉等恢復(fù)措施。
恢復(fù)療養(yǎng)期大約3個月。在這期間，要將航天員各項生理參數(shù)恢復(fù)到飛行前的狀態(tài)。3個月后航天員如果身體情況良好，就可開始正常的日常訓(xùn)練。
【趣味知識】
航天員“倒座”返回
在返回艙再入大氣層時，航天員是坐在“倒座”上，即航天員乘坐的座椅方向是與飛船的飛行方向相反的。這是因為返回艙在再入過程中一直處于“剎車”減速狀態(tài)，采用“倒座”可以使航天員的頭部和上身緊壓在帶有賦形坐墊的座椅靠背上，這樣航天員便于承受較大的過載。
責(zé)任編輯：王鳳一
