升空与返航的奥秘

2022-10-11文天星

科学24小时 2022年10期

文天星

航天器在太空飞行，航天飞行控制中心的工作人员需要知道航天器在哪儿。宇航员要回到地球，也需要知道自己在哪儿。那么，如何才能确定方位呢?

1609年至1619年，开普勒发表了行星运动三大定律，描述了开普勒轨道，确立了现代天文学，发起了一场科学革命。任何开普勒轨道都可以由6 个参数定义，即轨道六要素：半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角和真近点角。轨道六要素是开普勒基于行星环绕太阳的椭圆运动而提出的一种描述轨道的方法。

在地球轨道要素图中，轨道平面(黄色)与参考平面(灰色)相交。对处于地球轨道上的卫星来说，参考平面通常是地球的赤道面。

根据开普勒轨道六要素，可以用数学方法描述和了解天体飞行轨道的大小、形状、方向、方位和变化等。由于其他天体的引力扰动和广义相对论的影响，一个真实的轨道及其轨道要素会随着时间而变化。开普勒轨道要素是一个理想的、在特定时间的轨道近似值。

在完全球形中心体和零扰动的理想条件下，除平均异常外，所有轨道要素均为常数。平均异常随时间线性变化，随平均运动缩放。航天器高度智能化，能够自主进行精确的轨道预测、测控和导航，按照预定和最佳轨道飞行。

为了精确地进行飞行控制，航天科技人员在地面设置了测控站和测控船，在太空中部署导航卫星。根据测控站、测控船、导航卫星提供的数据，航天飞行控制中心的工作人员和宇航员可以计算出天体、航天器的轨道六要素和卫星星历，从而清晰地确定航天器在任何时间的空间位置。宇航员想要回家，就变得容易了！

地球轨道要素图

垂直起飞

水平降落

升空与返航方式

在天空中，航天器按照空气动力学的相关原理飞行。而在太空中，航天器则按照轨道力学、天体动力学和太空动力学的相关原理飞行。在经历太空飞行后，绝大多数航天器会在返回地球的过程中被烧毁。只有飞船、航天飞机、太空飞机和返回式卫星等航天器会返回地球着陆。

航天器的起降方式可分为3 种：“垂直起飞，垂直降落” “垂直起飞，水平降落”和“水平起飞，水平降落”。其中，“垂直起飞，垂直降落”这种方式适用于飞船、返回式卫星等航天器。它们搭乘运载火箭发射升空，突破卡门线，进入太空的预定轨道。完成飞行任务后，慢慢降低轨道，进入地球大气层，打开降落伞。在着陆前的最后1 秒，反推发动机点火，减小着陆的撞击力，安全着陆。

“垂直起飞，水平降落”这种方式只适用于航天飞机。在航天发射中心，火箭点火发射，将航天飞机送入太空中的预定轨道。完成飞行任务后，航天飞机慢慢降低轨道，进入地球大气层，利用空气阻力，水平降落在机场。

而“水平起飞，水平降落”这种方式只适用于太空飞机。太空飞机是一种能自主起飞，进行太空飞行和降落的飞机。太空飞机从机场起飞，突破卡门线，飞上太空。水平起飞又分为一级起飞和二级起飞2 种方式。其中，一级起飞是指太空飞机利用自身的动力，飞上太空。二级起飞是指太空飞机搭乘一架运载机升空，运载机在万米高空释放太空飞机，太空飞机再利用自身的动力，进入太空预定轨道。完成飞行任务后，太空飞机慢慢降低轨道，进入地球大气层，利用空气阻力，降落在机场。

“神舟十三号”飞船返回舱着陆

航天器的着陆方式可分为陆地着陆和海洋溅落2 种。目前，俄罗斯的“联盟号”飞船、我国的“神舟号”飞船、美国宇航局的“猎户座”飞船、波音公司的“星际线”载人飞船采用陆地着陆的方式。美国宇航局的“阿波罗号”飞船以及美国太空探索技术公司的“龙”飞船采用海洋溅落的方式。

按照航天器的着陆技术，又可分为硬着陆、软着陆和飞行着陆3 种方式。硬着陆是指早期的飞船、返回式卫星等利用地球引力、空气阻力和降落伞着陆，直接撞击地面。现在，世界各国已经不再使用硬着陆方式。软着陆是飞船、返回式卫星等利用降落伞减速，再使用反推发动机点火，安全着陆。飞行着陆是指航天飞机、太空飞机利用空气阻力，在机场跑道上安全着陆。

『阿波罗11号』飞船海洋溅落

重返地球

航天器受控进入地球，被称为“地球再入”或“重返地球”。这个过程分为进入、下降和着陆3 个阶段。

进入阶段：航天器从原来的高轨道变轨，环绕地球轨道飞行，渐渐下降到150 千米的低轨道上。150 千米的低轨道，号称“死亡轨道”，航天器一旦进入死亡轨道，就再也回不到更高的轨道。地球引力和空气阻力将限制航天器再飞升。航天器从150千米的低轨道继续下降，渐渐进入100 千米的卡门线，接近地球。

返回舱重返大气层

下降阶段：航天器一旦进入卡门线，就进入了地球的浓密大气层。在地球引力和重力加速度的作用下，航天器坠落得越来越快。在坠落过程中，航天器与空气摩擦，温度迅速升高，激发火焰。大气阻力会给航天器施加机械压力。这可以导致体积较小的航天器完全烧毁，体积较大的航天器表面烧蚀，甚至完全解体，而抗压强度较低的航天器可能直接爆炸。

随着高度降低，空气密度越来越高。在空气阻力的作用下，航天器坠落得越来越慢，火焰也越来越小。随着高度进一步降低，地球引力和重力加速度加大，航天器仍然以高速接近地面。

在地球再入过程中，航天器必须从每秒7.9 千米的第一宇宙速度减速到超音速，再减速至亚音速。

着陆阶段：当距离地面10 千米以下，航天器才能展开降落伞或打开空气制动器。在着陆前的最后1 秒，航天器底部的反推发动机点火，巨大的火焰喷射，达到减速的目的，保证航天器能够平稳着陆。

风险与挑战

航天活动充满风险和挑战。无论以哪种方式返航，或以哪种技术着陆，都可能遭遇意外，危及生命。太空飞行最容易出现意外状况的时候是上天和落地，也就是火箭起飞和飞船返回地球的阶段。世界航天史上，就有7 名美国宇航员在火箭发射起飞阶段献出了宝贵的生命，4 名苏联宇航员和7 名美国宇航员在返回地球阶段牺牲。除了在执行飞行任务期间出的事故外，还有12 名苏联和美国宇航员、试飞员在训练或测试期间殒命。

1967 年4 月23 日，苏联第一艘“联盟”系列载人飞船——“联盟1 号”从拜科努尔航天中心顺利发射。搭乘“联盟1 号”载人飞船的宇航员是弗拉基米尔·科马洛夫，呼号为“红宝石”。“联盟1 号”载人飞船刚升空不久，自动控制系统便完全失效，手动控制系统仅部分有效，造成机动和方向失控。之后，飞船便完全失控了！在预定轨道运行至第19 圈时，弗拉基米尔·科马洛夫利用手动控制系统操作，飞船进入了返回轨道。

“阿波罗15 号”飞船返回舱曾遇险，3 个主降落伞中有1 个没有打开

然而，着陆前意外再次发生，主降落伞没有打开！弗拉基米尔·科马洛夫急忙打开备用降落伞，但它与减速伞纠缠在了一起。这时，返回舱变成了一个烈焰四射的“铁球”，以约40 米/秒（即144 千米/时）的速度直坠。最终，返回舱撞击在荒原上。弗拉基米尔·科马洛夫是苏联，也是世界上第一位两次飞入太空的宇航员，同时也是世界上第一个在太空任务中殉职的宇航员。

太空探索是全人类的理想，也关乎全人类的福祉。无论面临多大的风险和挑战，太空探索不会就此停滞不前，宇航员也不会因此而畏缩不前。生命虽然只有一次，十分珍贵，哪怕牺牲，生命也要开出美丽的花朵。

名词卡片

半长轴：椭圆长轴的一半，长轴是过焦点与椭圆相交的线段长。

偏心率：即离心率，是用来描述圆锥曲线轨道形状的数学量。

轨道倾角：简称倾角，指航天器绕地球运行的轨道平面与地球赤道平面之间的夹角，分为顺行轨道、逆行轨道和极轨道。

升交点：天体沿轨道从南向北运动时与参考平面的交点。

升交点赤经：卫星轨道的升交点与春分点之间的角距。

近地点幅角：轨道近地点与升交点之间对地心的张角。

真近点角：天体从近地点起沿轨道运动时其向径扫过的角度，是某一时刻轨道近地点到卫星位置矢量R 的夹角。