着陆缓冲:载人航天器的最后一道保险

5月8日13时49分,我国新一代载人飞船试验船返回舱成功降落在东风着陆场,其返回舱使用的安全气囊技术缓冲着陆得到了验证。那么,载人航天器主要有哪几种着陆缓冲方式,他们各自又有哪些特点?

着陆火箭缓冲安全性高

着陆火箭是载人航天器常用的一种缓冲装置,苏联/俄罗斯研制的载人飞船基本上都是利用该技术进行着陆缓冲。

当载人飞船的返回舱利用降落伞下降到距离地面数米高时,着陆火箭点火工作,给予返回舱一个向上的冲量,从而使返回舱在着陆前将速度减到很小的水平。

着陆火箭的主要特点在于缓冲行程相当大,因而可以实现在相当小的减速过载条件下,将返回舱的着陆速度减小到很低水平,有效保护航天员身体不受减速过载伤害。

此外,在返回舱质量很重的情况下,使用着陆火箭可以显著减小主伞伞衣面积,减少降落伞系统的质量,从而提高飞船舱内的有效载荷。

世界上最早采用着陆火箭的载人航天器是苏联在1964年发射的上升号飞船,相比更早的东方号载人飞船将航天员弹射出去再伞降着陆的方式,“上升号”通过着陆火箭实现了软着陆,航天员的安全系数得到提升。

如今,俄罗斯使用的联盟号系列载人飞船,均采用了着陆火箭技术来实现着陆缓冲。该技术经过50余年的不断检验和完善,具有相当高的安全性和可靠性。

海上溅落缓冲允许大降速

海上溅落是载人航天器的另一种减速缓冲方式,美国研制的载人航天器大部分都采用该方式进行回收。

与软着陆相比,海上溅落的优势在于允许飞船有比软着陆更大的降落速度,而且不用担心飞船偏离落入人迹罕至和无法救援的地区。

由于海上溅落允许飞船的降落速度可以更大,在飞船同等重量的情况下,可以使用比软着陆小很多的减速伞,或在使用相同大小的降落伞时,可以有更大的降落重量。

上世纪60年代,美国研制的阿波罗系列载人飞船,采用的就是海上溅落回收方式。与同时代的苏联联盟号飞船相比,“阿波罗”的中枢指挥舱可以带着航天员直接返回地球,而联盟号飞船则需要通过小得多的返回舱将航天员带回地面。

这种差异在货运飞船上体现得更明显。俄罗斯研制的进步号货运飞船可以将2.3吨重的货物送入太空,但只能把500公斤重的物品带回地球;而美国SpaceX公司研制的龙飞船由于采用了海上溅落回收方式,送入太空和带回地球的物资重量都是7吨,这些差距就是由于着陆方式决定的。

需要指出的是,联盟号飞船也具备海上溅落回收能力,是软着陆的备份方案,可在紧急情况下使用。而美国更多采用海上溅落回收方式与其强大的海军分不开,独步全球的美国海军具备有效地监控飞船溅落、保卫安全和及时营救航天员的能力。

安全气囊缓冲成本低

载人航天器采用安全气囊着陆缓冲是新出现的一种回收方式,其原理是依靠压缩气囊内部气体做功来消耗被缓冲物的冲击动能,以往只有美国火星探测器使用了类似技术。

近年来,美国波音公司研制的“星际客机”进行了突破性尝试,首次在载人飞船上使用安全气囊技术。“星际客机”在最后接触地面前,飞船底部的气囊充气,帮助飞船实现着陆缓冲。

为保证万无一失,安全气囊也采用了多重备份,确保只有一部分气囊展开时依然可以安全降落。与火星车采用的气囊类似,飞船的气囊呈现多边形配置,彼此间连接在一起,有助于保持飞船的稳定性和灵活性。

与火星车采用的气囊不同是,飞船安全气囊系统在触地后会立即通过排气孔放气,且必须一次放气成功,这是为了防止气囊刚性过大,避免飞船出现二次反弹离地。

这种气囊使用了高度坚固而柔软的合成材料,可以在低温、高温、水中等特殊环境下使用,并具有一定的抗刺穿能力。与着陆火箭相比,安全气囊拥有超小质量、易折叠,以及成本低廉的优势。

滑跑着陆缓冲最舒适

载人航天器除上述着陆缓冲方式外,采用滑跑着陆的形式也值得铭记。

在人类航天历史上,航天飞机具有特殊地位,超大的载重能力和可重复使用的特点曾让其独领风骚。然而,两次机毁人亡的事故以及高昂的费用又让其黯然退出了历史舞台。

航天飞机的着陆过程与普通客机相似,但也有不同之处,主要体现在降低高度和减速更快。航天飞机在着陆前90秒,航天员调整航天飞机角度,使其与跑道对直,此时航天飞机的高度是4500米,速度为518公里/小时。

然后,航天飞机以比普通客机快20倍的速度降低高度,离地面610米时,航天员拉起机头,依靠空气阻力进一步降低速度,并放下着陆装置,让其后轮先着地,着陆时的速度是354公里/小时,减速伞从航天飞机的尾部释放出来,帮助其降低速度。

最后,航天员轻轻地放下机头,让减速伞与航天飞机脱离,最终平稳地停在跑道上。

在所有载人航天器的着陆环节中,航天飞机的着陆方式对航天员来说最舒适,且没有大的过载,即使没有受过专业培训的普通人也能够承受。

总之,载人航天无小事,大风大浪闯过来,并不意味着绝对安全,航天器停稳才是航程终点。尽管航天器的着陆方式各有不同,但无论哪种缓冲技术,安全可靠永远是载人航天的第一准则。在载人航天器返回地面的最后一刻,着陆缓冲装置是保护航天员安全的最后一道保险。