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动画详解神舟九号飞船全程四步走"回家路"(图)

发布时间:2012年06月30日 08:03 | 进入复兴论坛 | 来源:北京日报 | 手机看视频


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神舟九号/天宫一号载人交会对接任务全过程

轨道舱和返回舱分离

返回舱和推进舱分离

返回舱进入大气层

主伞打开

缓冲发动机点火

返回舱着陆

  回家四步走

  制动飞行阶段——当飞船在太空中运行最后一圈时,地面测控部门向飞船发出返回指令,飞船随即调整姿态,轨道舱与返回舱分离,发动机点火制动,飞船进入返回轨道。

  自由滑行阶段——此时,飞船以无动力飞行状态自由下降。当高度降至距离地面140公里处时,推进舱和返回舱分离,推进舱在穿越大气层时烧毁,返回舱继续下降。

  再入大气层阶段——飞船返回舱穿越大气层,到达距离地面80至90公里高度时,因高速剧烈摩擦,在飞船表面形成高温等离子气体层,并对电磁波造成屏蔽形成“黑障”,飞船与地面失去联系大约240秒左右。直到距离地球约40公里处,“黑障”才会消失,地面测控部门重新捕获飞船。

  着陆阶段——当返回舱距离地球约10公里时,伞舱盖打开,并连续弹开引导伞、减速伞和主降落伞。距离地面5.8公里时,飞船返回舱会抛掉防热大底,由倾斜吊挂姿态转为垂直吊挂姿态。在距离地面1.2米时,4台反推发动机点火,使飞船以每秒1至2米的速度着陆。

  全程高科技

  返航:“三把锁”精准断开各舱段

  连接分离机构就像神舟飞船的臂膀,有力地连接起了飞船的三舱。“我们研制的连接分离机构由‘三把锁'组成,分别在飞船轨道舱和返回舱之间、返回舱和推进舱之间、返回舱防热大底和舱体之间。”连接分离机构研制主管设计师王智健透露,“我们必须保证这‘三把锁'能及时准确脱开,同时时间还要分秒不差,否则后续动作无从谈起。”

  轨道舱和返回舱之间的一号锁,是保证航天员顺利返回地球的第一道安全保障;返回舱和推进舱之间的二号锁,是保证返回舱进入大气层后在预定时间预定地点着陆的首要设备;飞船着陆前,返回舱防热大底和舱体之间的三号锁也叫抛底锁启动工作,它关系到防热大底能否按时抛掉、降落伞能否正常打开。

  当神九飞船准备返航时,一号锁就要准确地打开,推掉轨道舱,让推进舱和返回舱组合体踏上回家之路。

  当推进舱助推返回舱重返大气层内,在预定时间抵达预定轨迹时,二号锁就要分秒不差的打开,推掉推进舱,让返回舱自由地飞向着陆场。二号锁工作的时机非常重要,时间、角度都必须精确到秒的量级,如果时间差1秒,那么返回舱着陆的地点就会差100公里。形象地说,二号锁何时打开,飞船就会在什么地方着陆。

  最后,当返回舱接近着陆场时,舱底端用于防御吸收大气层摩擦热量的防热大底已圆满结束使命,由抛底锁执行抛底任务。只有将防热大底抛掉,里面叠放的降落伞才能顺利打开,进而带着返回舱安全返回地面。

  另外,飞船在飞行过程中并非一帆风顺,会遇到空中的横向气流,会受到转弯弯矩的影响,必须保证在发射和运行段实现绝对刚性连接,克服各种各样的外力,不允许出现任何松动,否则会产生飞船空中解体或地面解体的后果。

  穿越大气层:“防热衣”御高温

  神九飞船返回地球时,高速运行的飞船与大气层的摩擦会产生上千摄氏度的高温。这时,返回舱就像一个火球,如果不采取防热措施,航天员将无法承受,返回舱结构也会受损毁。

  神九返回舱究竟采用什么样的防热材料和防热结构?早在神九飞天之前,科研人员就采用防隔热材料技术给返回舱穿上一层25毫米厚的高科技“防热衣”。

  专家透露,飞船的“防热衣”与其他防热材料不同,不仅要求具备高强的防隔热性能,而且要求密度低、质量轻。科研人员根据返回舱的设计需求,开发了一种密度可设计的低密度烧蚀材料,并将这种烧蚀材料灌注于十余万个蜂窝内来构成“防热衣”。

  飞船返回时,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,使飞船内部温度控制在30摄氏度左右。

  “黑障”期:雷达追踪“消失”的神九

  神舟飞船在执行完任务返回地面前,在距地面高度120公里至40公里左右这段行程中,将短暂消失大约240秒左右。

  这是由于飞船与大气层摩擦,会在神舟飞船表面形成高温等离子气体层,从而隔绝了地面遥控设备与其通信,形成“黑障”,飞船会与地面失去联系。

  此时,已服役13年的我国第一部精密跟踪相控阵测量雷达——回收一号将大展功勋雷达风采,紧盯消失的神九。回收一号雷达将弥补地面遥控设备的不足,通过雷达反射式跟踪保持对飞船的连续跟踪,直至飞船着陆,为准确定位飞船着陆点提供了精确数据。

  神九创造多项第一 神十乘组开始选拔准备

  本报记者 王东亮

  国务院新闻办公室昨日举行新闻发布会,介绍天宫一号与神舟九号载人交会对接任务有关情况。中国载人航天工程办公室主任王兆耀在新闻发布会上表示,我国首次载人交会对接任务过程堪称完美,创造了多个“第一”。长征2号F遥9火箭的入轨精度是所有载人飞行中最高的一次;这是火箭和飞船首次重大改进以后的第一次载人飞行;我国航天员首次操控对接;我国航天员第一次进驻在轨道上的人造天体;我国女航天员第一次上天;整个飞行时间是我国载人航天有史以来最长的一次。同时,航天员在此期间做了一系列的科学实验和技术试验,突破了一系列的关键技术,取得了一大批宝贵的试验数据,为我国航天载人技术发展奠定了基础。

  更多“神女”将飞天

  中国航天员科研训练中心主任陈善广说,神九首次实现女航天员“飞天”,在神舟十号载人飞船的乘组中,可能还会有女航天员。今后,会有越来越多的女性加入到载人航天事业中。女航天员上天,反映了女性在国家的社会生活中地位越来越高,作用越来越大。

  据介绍,自载人航天工程启动以来,我国开创性地建设了具有中国特色、完整开放的航天员选拔和训练体系。包括航天员选拔训练的标准、程序、方法,及教学、教材体系,教员培训与资格认证体系,训练设备体系以及管理体系。

  陈善广说,航天员的选拔训练须不断适应载人航天任务的发展需要,是一项开创性工作。我国已自主突破了航天员血液重新分布适应性选拔训练、模拟失重水槽训练、交会对接训练等关键技术,研制了系列化训练模拟器及大型地面模拟训练设备。有关科研机构还运用心理学和数学方法研究建立了航天员心理素质评价技术、飞行乘组选拔综合评价的模型等。

  神九任务中,航天员景海鹏、刘旺、刘洋沉着冷静、操纵精准,实现了我国航天员首次在轨的手控交会对接,首次较长时间在轨驻留并系统性地开展空间实验,首次有女航天员执行任务的创举,彰显了我国航天员的选拔训练水平。

  陈善广说,神十工程总体在准备过程中,航天员作为选拔训练的实施单位也正在开展相关的准备,包括航天员乘组的选拔和准备工作,工程总体工作一旦确定,将付诸实施。

  “天梯”为空间站奠定基础

  神八和神九执行的两次交会对接任务圆满完成,标志着我国已经建立了完整的天地往返载人运输系统。这个安全的“天梯”将为未来我国成功发射、运营载人空间站奠定基础,为人员和物资往来天地间提供了可靠的途径。

  中国航天科技集团公司副总经理袁洁表示,从1992年开始,中国载人航天用20年时间建立了完整的天地往返载人运输系统,这是重大科技进步,为我国正在研制建设的载人空间站及其运营系统奠定了扎实基础。

  袁洁说,我国利用神八、神九、神十3艘飞船与天宫一号空间实验室在任务中作为目标飞行器进行对接,依次验证自动对接、手动对接、组合体运行、航天员短期驻留等关键技术,全面实现了天地往返、航天员出舱、空间交会对接等预定目标。飞船配置激光雷达、微波雷达、CCD相机等不同体制的交会测量设备,建立了独特的交会对接方案,多项指标处于国际领先水平,为任务完成和航天员安全提供了更多保证。

  据介绍,神舟飞船上配置的异体同构对接机构,有上千个轴承,是我国历时十年自主研制的最为复杂的空间机电设备,技术难度大,目前国际上只有俄罗斯具备研制能力。

  王兆耀表示,神九任务是火箭和飞船首次重大改进以后的第一次载人飞行,成功实现了准确入轨、精准操控对接、稳定组合运行、安全健康返回的总目标,结果圆满、过程完美、成果丰硕。

  400项航天成果惠及民生

  今年是中国载人航天工程实施的第20个年头。中央财政累计安排了390亿元经费,主要用于技术研发、样品研制、飞行产品的生产,试验设施设备的建设以及大量的地面试验和飞行试验的消耗。袁洁表示,载人航天工程是一项重大科技工程,代表了一个国家的科技发展水平,其技术是再多钱也买不来的。

  截至目前,我国在载人航天领域已取得九百余项国家级发明专利和科技进步成果。通过10次飞行试验,已成功突破和掌握载人天地往返、航天员空间出舱和交会对接等三大载人航天基本技术。建成了较为配套的载人航天研制生产试验、测试发射、测量控制体系。

  王兆耀说,通过突破和掌握载人航天的一系列关键技术,提高了我国航天技术整体水平,有力推动了能源、信息、控制等领域的发展,带动了电子、材料、制造、化工、冶金、纺织多个行业的工艺创新和产业提升。我国已有400项载人航天技术成果在转化,应用于科普教育、矿业安全、健康医疗等民生领域。

  载人航天的投入对经济的拉动作用是显著的。据多家研究机构测算,载人航天的产出比是1:10到1:12。通过载人航天的实施,培养了一支规模较大、专业较全、结构合理的人才队伍,保证了我国航天事业发展的需要,也为相关领域输送了大批人才。载人航天工程还使我国在大型现代化工程管理方面积累了丰富的经验。

  着陆:

  “光子探针”引导飞船降落

  神九飞船内,航天员座椅下方安装着γ高度表,虽然不起眼,却是执行神舟飞船飞行最后环节的关键点,是飞船的关键设备,就像是给飞船安全着陆安置的“光子探针”,引导着神九着陆,守护航天员回家。

  在飞船返回舱降落至地面时,γ高度表可根据返回舱至地面的距离发出指令指示,在返回舱降至距离地面不同高度时,分别发出航天员即将着陆的预指令信号和反推点火指令等,以减缓返回舱下降速度,实现飞船的安全软着陆。该设备的成功与否,不仅直接关系到神九飞船飞行任务的完成,更关系到航天员的生命安全。

  着陆速度如从1米高跳下

  神舟九号飞船返回舱在刚刚进入大气层时会以很快的速度向地面坠落,飞船将通过两级减速,将坠落速度降至很低,让返回舱毫发无损安全着陆。科研人员将此称之为软着陆,即人造卫星和宇宙飞船等在降落过程中,逐渐减低降落速度,使航天器在接触地球或其他星球表面瞬时的垂直速度降至很低,最后不受损坏的安全着陆。

  神舟九号返回舱的软着陆是通过降落伞和反推发动机两级来实现的。当飞船降到据地面10公里左右时,它的降落伞系统会逐级打开,飞船乘伞下降,但此时飞船返回舱的速度还是比较快,每秒约8至10米;到离地面1米左右时,飞船的反推发动机开始点火启动,同时会给返回舱一个缓冲力。返回舱落地时的速度形象来说,就相当于一个人站在1米高的桌子上跳下去的速度。

  搜救:

  4种手段锁定返回舱位置

  飞船返回舱着陆后,如何在最短的时间内发现目标并实施救援,对航天员和飞船的安全至关重要。着陆场系统总体设计专家宋兴学表示,在系统总体设计方案中,科技人员共设计了4种手段来完成这一任务,完全可以保证在返回舱落地后迅速获取其位置信息。

  这4种手段分别是:搜救卫星系统接收到的神九返回舱信标仪发出的信号;返回舱着陆后,航天员读取仪表板上的位置数据,通过卫星电话告知北京航天飞行控制中心;北京航天飞行控制中心通过测控网信息给出的返回舱落点预报;主着陆场直升机和固定翼飞机上的定向仪接收到的返回舱信标信号。

  如果发生飞船返回舱在海上应急降落的情况,上述的天基通信手段同样可以发挥作用。同时,担负搜救任务的搜救打捞船作为海基通信手段,可以在距离返回舱较近时,通过搜索返回舱信标仪发出的信号来快速确定其位置。

  精密仪器组成搜救“眼”

  为了能第一时间锁定目标,大量精密的电子测向仪器在神九返回前便已分别装备在主、副着陆场和应急着陆区,其中包括18台套机载指挥平台、机载定向仪、船载定向仪、单兵定向仪、模拟信标机和宇航员通话电台等。

  由于飞船着陆后,目标已“走”出了测控雷达的视野,必须有新的监测手段。这些“眼睛”就是中国电子科技集团公司研制的着陆场指挥搜救系统。

  当飞船出了“黑障区”后,打开降落伞的同时,舱内信标机启动,发出定向和示位标信号,这两个频段的信号可为搜救人员提供返回舱的方向和经纬度信息。同时,科研人员在原有定向仪基础上,扩展了搜救指挥平台功能,增加了超短波通话功能,便于医疗救助人员与航天员进行通话,及时了解舱内情况,为顺利协助航天员出舱提前做好准备工作。

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