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在傳回艙觸地的一瞬間,受力多少呢?

神舟13号回來了。看着很是激動同時又很好奇:在傳回艙觸地的一瞬間,受力多少呢?整個傳回過程航天員是哪個階段承受加速度最大?

答:

傳回艙的再入傳回過程非常複雜,為了回答以上兩個問題,請允許我較為詳細的介紹一下航天器傳回的幾個階段。(PS:最後一段對問題的回答進行了總結)

環繞地球運作的飛船,脫離原來的運作軌道,并轉入進入大氣層的運作軌道,須經曆制動段和進入軌道過渡段兩個階段。該過程中航天器進行姿态調整,改變速度大小和方向,為進入大氣層做準備。如下圖所示,過渡段的軌道與地球稠密大氣層的上界相交于E點,E點即是過渡段的終點。

在傳回艙觸地的一瞬間,受力多少呢?

制動段和過渡段 | 圖引自參考資料[3]

在進入段,傳回艙以高速進入大氣層,對迎面的大氣猛烈壓縮并與之摩擦,表面溫度急劇升高,傳回艙速度下降,這是進入過程中環境最複雜惡劣的一段。而後,開始采用降落傘減速,這一段稱為下降段。以神舟号飛船為例,在離地10km時,傘艙蓋彈出,拉出導引傘,随後面積較小的減速傘打開,将傳回艙的速度由每秒兩百多米降至每秒數十米;在8km高度,減速傘與傳回艙分離,面積較大的主傘打開,垂直速度逐漸降至8m/s左右。最終的一段稱為着陸段,在離地1m處,着陸反推發動機點火工作,再次制動,傳回艙以3m/s左右的垂直速度落地實作軟着陸。

在傳回艙觸地的一瞬間,受力多少呢?

下降段降落傘減速 | 圖檔源自網絡

整個傳回過程中,航天員承受的加速度(過載)主要有以下幾個部分:

氣動減速過載。航天器的傳回方式可分為彈道式(升力很小)、半彈道式(升力與阻力的比值小于0.5)和升力式(升力大于阻力,如航天飛機)。美蘇最初的載人飛船傳回艙采用彈道式傳回,最大過載在10g左右。而半彈道式傳回由于最大過載低、落點控制更加準确,是以之後被廣泛采用。神舟号飛船即采用此方式傳回,其最大過載為3.22g。

開傘沖擊過載。開傘過程中會突然減速,産生過載。最大開傘沖擊過載不大于5g,過載大于3.5g的時間小于等于0.5s。采用多級開傘的方式,有效降低了過載。新一代的載人航天器,還會采用可控滑翔傘技術、甚至不需降落傘的發動機減速,這樣,下降段的過載會進一步降低。

着陸沖擊過載。着陸方式有海上濺落、氣囊緩沖着陸、反推發動機着陸、着陸腿着陸等方式。神舟号飛船采用反推發動機着陸,着陸時,傳回艙的沖擊過載在20g到50g之間。借助于傳回艙底部緩沖結構和座椅緩沖系統的緩沖,航天員承受的沖擊過載為10g左右(胸-背部方向)。

在傳回艙觸地的一瞬間,受力多少呢?

傳回艙構型、布局及着陸方式 | 圖引自參考材料[5]

總體來說,加速度最大的過程是着陸的瞬間沖擊過程,此時航天員(按60kg計算)瞬時受沖擊力約為6kN;傳回艙(按3t計算)沖力估計在10^6N量級。另外,火工品(點火裝置、爆炸分離裝置等)工作時也會帶來瞬間的沖擊。傳回過程中各個階段過載的降低,是許許多多的科學家在大量的設計、測試和改善後得來的。在未來,回收着陸系統還會為越來越多的航天員的安全和健康保駕護航。

參考資料:

[1]李惠康.載人飛船回收着陸分系統簡介[J].載人航天,2004(02):27-30.

[2]戚發轫,張柏楠,鄭松輝,楊宏,張慶君,白明生.神舟五号載人飛船的研制與飛行結果評價[J].航天器工程,2004(01):1-14.

[3]榮偉等編著.航天器進入下降與着陸技術[M].北京:北京理工大學出版社.2018.

[4]楊宏等編著.載人航天器技術[M].北京:北京理工大學出版社.2018.

[5]朱光辰.載人飛船傳回艙再入着陸力學環境防護技術改進[J].航天傳回與遙感,2010,31(05):9-15.

by 小小羊

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