載人飛船返回艙是如何保持大頭朝下不翻船的？

2023-03-31 14:24:52

新一代載人飛船連續發射

2020年5月8日，中國新一代載人飛船在東風著陸場預定區域成功著陸。根據新聞報導，飛船帶著「10.8環」著陸，如果是射擊比賽，擊中靶心。

僅僅幾天後，如果一切順利，SpaceX的「龍-2」載人飛船也將搭載兩名太空人開始其首次飛行，然後它將按計劃濺落到預定的海域。

龍-2空飛船從飛行測試返回

不知你有沒有注意到，幾乎所有的載人飛船，它們返回艙在降落過程中都是大頭朝下的。為什麼宇宙飛船在返回期間能在不受控制的條件下保持穩定？如果它滾動會發生什麼？宇宙飛船有可能會翻車嗎？今天我們將從科學的角度討論這些問題。

宇宙飛船又回到了想像中。

宇宙飛船的形狀

傳統的飛船返回艙大致分為兩種形狀。一個是鐘形的，就像一個帶扣的銅鐘。它的下部大，上部小。它的外殼有一條平滑的過渡曲線。前蘇聯的聯盟號和我們的神舟飛船就是這種類型。另一種是圓錐形或截頭圓錐形，屬於阿波羅飛船和大多數新一代載人飛船的指令(返回)艙。即將發射的「龍-2」也類似於一個截頭圓錐體，除了它被一個反推力發動機包圍，這個發動機被設計成看起來像科幻小說。

新一代太空飛行器與傳統太空飛行器的外形

不管飛船設計成什麼樣子，它的返回艙通常是一個大的上部和一個小的下部。

為什麼飛船返回艙必須是這樣的？

我們知道，由於萬有引力的關係，地球附近的任何物體都會受到地球引力的影響，為了平衡地球引力，宇宙飛船需要以第一宇宙速度飛行。也就是說，衛星、空站和載人宇宙飛船繞地球運行的最低速度是7.9公裡/秒；如果你想飛向月球，你需要更快。然而，如果你想與地球平起平坐，成為一艘繞太陽飛行的宇宙飛船，你需要達到每秒11.2公裡的第二宇宙速度。相反，當你從這些地方返回地球時，你的返回速度也相應於它。同時，由於地球重力加速度的影響，你的下降速度會越來越快。

宇宙飛船不能以第一宇宙速度返回地球表面。沒有飛船能承受如此巨大的衝擊。當進入大氣時，速度太快，並且由於與空的摩擦產生的高溫，它會燃燒。因此，首先，我們需要在規定的時間內降低速度。第二，我們需要避免在大氣中燃燒。與此同時，我們還需要考慮減速造成的過載不會殺死宇宙飛船中的太空人。為了解決這些複雜的問題，我們需要使用空空氣動力學原理。

一顆衛星在大氣層中被燒毀。

由於運載火箭的空氣動力學要求空以及考慮到結構穩定性和安全性，太空飛行器大多設計成截頭體或接近錐體。當太空飛行器上升時，其錐形表面上升，以獲得更高的升阻比；當宇宙飛船返回時，我們需要關注如何更快地降低速度，所以我們需要宇宙飛船具有更低的彈道係數。

不同的姿態導致彈道係數的明顯差異。

當發射子彈或飛彈時，高彈道係數是我們的目標，所以我們可以飛得又快又遠。然而，高彈道係數不利於太空飛行器返回期間的減速，因此太空飛行器的底部需要面向前方。這樣做的另一個優點是，我們可以用最小的面積設計隔熱系統，並以最小的成本保護太空飛行器在返回大氣層時不被2000℃以上的高溫灼傷。

飛船返回到想像中的地圖，底部有一個隔熱板。

飛船如何克服翻滾？

與發射過程不同，飛船的返回艙在重返大氣層的大部分時間裡不受控制。同質物體在高速運動時可能會翻滾，這意味著船隻被摧毀，人死亡。

那麼，我們如何確保飛船在不受控制的情況下仍然保持大頭朝下，底部隔熱罩始終與它的前進方向保持一致呢？

根據萬有引力定律，物體在地球引力場中的質量越大，它離地球中心越近，它的引力勢能(引力勢能)就越大，它就越傾向於向地球中心移動。如果你釋放一個氣球，它懸掛的重量將指向地球的中心。不倒翁玩具也利用重力勢能來達到平衡。

不倒翁的動態圖像

拆開一個不倒翁玩具，你會很快發現它平衡的秘密——它的大部分內部是空的，非常輕，而一個沉重的鉛塊固定在它的底部。由於這個鉛塊的存在，不倒翁的重心大大下移。當你推它時，支點會移動，但由於重力勢能的存在，它會在擺動一段時間後逐漸回到垂直狀態。此時，它的支點與質心軸重疊，質心軸是重力勢能的平衡狀態。

不倒翁應用了重力勢能平衡原理。

你還記得在大唐不夜城扮演仙女的小妹嗎？事實上，她還被綁在一個沉重的半球形底座上，因為相對於底座來說，人的重量很輕，所以整體重心會下移，無論她如何搖擺，她都不會摔倒。它們是「不倒翁」的真實版本。

重力勢能趨於平衡

我們飛船的返回艙也是如此。事實上，你可以把它視為一個「不倒翁」，重量輕的向上，重量重的向下。它空內的大多數輕型設備安裝在飛船的上半部，而那些又大又重的東西則位於飛船的圓弧形底部。在飛行過程中，它主要受兩種力的影響——地球引力和空空氣阻力。飛船保持穩定的飛行，不會因其沉重的底部而翻轉。

飛船的重心靠近底部，以保持飛行中的平衡。

重心和飛行角度的偏差

小心你可能會注意到上面圖像中的「獵戶座」飛船的重心不在它的軸上，而是移到了一邊。關心中國新一代載人飛船返航消息的朋友們也應該關注飛船著陸後的照片。船體側面的燒蝕痕跡是傾斜的。

中國新一代載人飛船表面的燒蝕痕跡。

為什麼會這樣？因為飛船返回大氣層的兩幅圖像都是錯誤的，所以你在網上找到的飛船返回的許多圖像也是錯誤的。事實上，絕大多數載人飛船在設計過程中重心發生了偏移，並且在返回時以傾斜的姿態著陸，就像下面的阿波羅飛船返回圖一樣。

正確的飛船返回姿態是傾斜的。

宇宙飛船在進入稠密大氣層之前有很高的初始速度。為了打開降落傘，我們需要在短時間內把它的速度降低到亞音速。速度下降不能太快，太空人不能承受高於11G的過載。因此，我們需要飛船以一個傾斜的角度下降，並通過持續的空空氣摩擦使返回艙減速。這個下降角度需要精確計算，角度越大，過載越大。如果角度太小，在大氣層的邊緣會有「水漂」的現象。在正常情況下，太空飛行器底部中心的切線與地球海平面之間的角度約為60度，因此太空飛行器在飛行期間也將獲得一定的空空氣升力。升力可以延長太空飛行器返回時的延遲空時間，延長軌道，從而將過載控制在可接受的範圍內。