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撰文/焦維新（北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授、中國空間科學(xué)學(xué)會空間探測專業(yè)委員會副主任）

圖文編輯/陳永杰 新媒體編輯/李云鳳

據(jù)新華社消息，北京時(shí)間4月16日9時(shí)56分許，神舟十三號載人飛船返回艙在東風(fēng)著陸場預(yù)定區(qū)域成功著陸。與神舟十二號載人飛船相比，神舟十三號載人飛船使用快速返回模式，在不改變硬件軟件的條件下，返回繞飛地球從18圈縮短至5圈，返回時(shí)間縮短近20小時(shí)。

▲成功著陸！歡迎回家?。ㄒ曨l來源：央視新聞）

2021年10月16日，航天員翟志剛、王亞平、葉光富在甘肅酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心搭乘神舟13號載人飛船進(jìn)入天和核心艙，成為入住中國空間站的第二批航天員。

▲神舟13號乘組成員翟志剛（中）、王亞平（右）、葉光富（左）（圖片來源/中國載人航天微信公號）

目前，神舟13號乘組早已成為在軌時(shí)間最長的乘組，航天員王亞平、翟志剛、葉光富的在軌時(shí)間分列中方航天員的前3位。神舟13號飛船在軌期間，成為首次進(jìn)行徑向交會對接、在軌時(shí)間最長的載人飛船，在其返回時(shí)還創(chuàng)造另一個(gè)首次——實(shí)施快速返回，進(jìn)一步提升航天員的舒適性及任務(wù)實(shí)施效率。

據(jù)悉，神舟12號飛船返回耗時(shí)約28小時(shí)。而不久前的3月30日，MS-19聯(lián)盟號飛船載有一名美國宇航員和兩名俄羅斯宇航員成功返回地面，耗時(shí)約4小時(shí)。

▲美國東部時(shí)間3月30日上午7時(shí)28分，載有兩名俄羅斯宇航員和一名美國宇航員的俄羅斯“聯(lián)盟MS-19”號飛船成功在哈薩克斯坦著陸（圖片來源/NASA）

其實(shí)，快速返回與快速交會對接有許多相似的地方，通過分析快速交會對接，可以了解快速返回的主要過程。

快速交會對接遇到的問題是：空間站與飛船在不同的軌道上運(yùn)行，軌道高度及兩者的相對位置都在不斷變化，飛船將以什么樣的方式逐步接近空間站呢？早期的辦法是通過地面站確定兩者的位置，根據(jù)地面站提供的數(shù)據(jù)，飛船逐步提升軌道高度。每提升一次高度后，要保持在這個(gè)軌道上一定的時(shí)間，再等候由地面站傳來的最新數(shù)據(jù)，并據(jù)此決定下次加速的時(shí)間和新的軌道參數(shù)，這樣一次次逼近對接目標(biāo)。

此前，神舟12號飛船在與核心艙分離之后，首先進(jìn)行的是徑向交會試驗(yàn)，繞飛到核心艙的下方，自下而上逐步靠近核心艙徑向?qū)涌?，對徑向交會對接的各?xiàng)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。完成之后，飛船繞飛到核心艙前端，這個(gè)階段大約4.5個(gè)小時(shí)，此后神舟12號就進(jìn)入返回程序。

▲神舟12號飛船返回動畫（圖片來源/中國載人航天微信公號）

為了讓飛船能夠更加精確瞄準(zhǔn)著陸區(qū)域，技術(shù)人員實(shí)時(shí)測定飛船軌道位置及高度后，神舟12號還需要繞地球飛行十多圈，每一圈約1.5個(gè)小時(shí)，然后逐步降低軌道。進(jìn)入大氣層前，飛船要完成推進(jìn)艙分離。

▲神舟12號載人飛船返回艙在東風(fēng)著陸場成功著陸 （圖片來源/中國載人航天微信公號）

而在快速交會對接方案中，飛船與空間站的位置由北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)確定，飛船上的計(jì)算機(jī)根據(jù)這些數(shù)據(jù)，確定飛船加速的最佳方案，因此使交會對接的時(shí)間大大縮短。

返回過程與交會對接過程也有相似的地方?？臻g交會的目標(biāo)是位于軌道上的空間站，而返回也有一個(gè)明確的目標(biāo)，那就是飛船著陸場。著陸場在地球上的位置是固定的，但地球是不斷自轉(zhuǎn)的，所以在飛船上看，這也是一個(gè)運(yùn)動目標(biāo)。

在具體介紹快速返回前，我們先介紹兩個(gè)概念：載入走廊與載入窗口。

1、再入走廊

飛船減速的大小和方向是很有講究的。如果減速幅度小，方向又不合適，飛船就不能進(jìn)入大氣層。相反，如果減速過大，速度方向與水平方向的夾角過大，則會導(dǎo)致返回艙的過載加速度太大。因此，正確的返回路徑存在一個(gè)范圍，稱為“再入走廊”。

2、再入窗口

返回艙在確定的軌道上減速進(jìn)入大氣層的時(shí)間范圍。再入窗口的確定涉及兩個(gè)因素。

首先是特殊的軌道，對這個(gè)軌道的要求是軌道的星下點(diǎn)軌跡通過著陸場。所謂星下點(diǎn)軌跡是指，航天器軌道按飛行方向分可分為順行軌道(與地球自轉(zhuǎn)方向相同)、逆行軌道(與地球自轉(zhuǎn)方向相反)、赤道軌道(在赤道上空繞地球飛行)和極軌道(經(jīng)過地球南北極上空)。航天器飛行時(shí)，在地球表面投影點(diǎn)的連線稱為星下點(diǎn)軌跡。人們用星下點(diǎn)軌跡來表示航天器在地球上空的飛行路線，星下點(diǎn)所達(dá)到的最大緯度等于軌道面和地球的赤道面的之間夾角(軌道傾角)。

▲神舟飛船的星下點(diǎn)軌跡，途中綠色區(qū)域?yàn)闁|風(fēng)著陸場成功著陸 （圖片來源/中國載人航天微信公號）

一個(gè)軌道的長度大約是4萬公里，返回艙在哪個(gè)位置開始減速呢？這需要仔細(xì)地計(jì)算，根據(jù)以往的情況，返回艙大概需要飛行1.5萬公里。返回艙在這個(gè)特殊軌道、特殊位置開始減速的時(shí)間范圍就是我們所說的載入窗口。這個(gè)窗口一旦確定，返回艙到達(dá)著陸場的時(shí)間其實(shí)不長。參照神舟12號的情況，從軌返分離到安全著陸，所用時(shí)間只有50分鐘。

以往飛船返回地面往往要用一天多的時(shí)間。繞行那么多圈，花那么多時(shí)間，返回艙無非就是在尋找一個(gè)合適的位置和角度脫離繞地軌道，然后返回地球?，F(xiàn)在，我們借助于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，確定這個(gè)窗口是非常容易。

出品：科普中央廚房

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