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航天科普:飞船降落伞:航天员返回的安全保障

更新日期:2019/9/25来源:上海航宇科普中心

来源:中国航天科普网

    美国宇航局在亚利桑那州的训练场利用一架运输机,成功进行了第七次猎户座载人飞船的伞降系统试验,目的是测试降落伞能否正常打开,以便为该飞船在2020年搭乘太空发射系统重型运载火箭进行首次发射打下基础。
    美国宇航局进行猎户座载人飞船降落伞系统投放试验
载人飞船降落伞不仅美国的载人飞船需要它,包括俄罗斯和中国的载人飞船同样需要,降落伞系统是载人飞船当之无愧的保护神。那么,载人飞船的降落伞有何特点?它又是如何打开工作的呢?
安全返回的关键
    关于载人飞船返回地面的障碍,大家首先会想到高空摩擦带来的高温考验,因此需要研制热盾来保护飞船。但是,降落伞系统同样是载人飞船返回舱安全返回地球的关键装置。
    返回舱闯过热障难关,继续下降到距离地面10公里高度时,虽然这时的速度已经在大气阻力作用下大大降低,但仍达到200米/秒左右,这就需要降落伞来完成最后减速。
    如果返回舱没有安装降落伞,带来的后果不堪设想。例如,1986年美国挑战者号航天飞机在空中爆炸后,虽然乘员舱保持完整,航天员也还活着,但乘员舱在下降过程中高速撞击海平面解体,造成航天员全部遇难。
那么,返回舱安全返回地面有没有其他方法呢?美国SpaceX公司研制的飞船曾试图全程利用火箭反推着陆,但综合考虑费效比和安全性,最后还是改为降落伞缓冲着陆。
    降落伞是载人飞船返回时重要的减速装置,它不仅可以降低返回舱的下降速度,还能保证返回舱下降姿态稳定。通俗地讲,降落伞的目的就是在中低空打开后,将返回舱比高铁还快的速度减至到普通人慢跑的速度,让航天员安全着陆回家。
独特的设计方式
    载人飞船返回舱用的降落伞外形和人们日常用的雨伞相似,都是利用气动阻力减速,二者主要的区别在于返回舱降落伞系统更复杂,伞衣和伞绳使用的材料都是经过了精挑细选,不仅举重若轻,且更安全可靠。
    另外,降落伞面积越大减速效果越好。例如,俄罗斯联盟号载人飞船的返回舱重2.9吨,降落伞展开后尺寸足有1000平方米,如果从伞顶把它拎起来,伞衣有30米长,加上伞绳足有70多米长。
    别看返回舱用的降落伞大,可它重量只有不到100公斤。这么大的降落伞,如果用普通降落伞材料制成,根本无法实现轻小的目标。因此,科研人员们精心挑选了高强度芳纶纤维来制作伞布和伞绳,让它薄如蝉翼却异常结实。
降落伞的伞绳同样结实,每根伞绳的直径只有几毫米,却能承受数十公斤的拉力,让2.9吨重的联盟号飞船返回舱安全着陆。
    返回舱的降落伞不仅要轻薄兼顾,而且还要经过特殊的耐热处理,可以承受400摄氏度的高温,防止返回舱与大气层摩擦产生的热烧坏降落伞。
    如果仔细看,降落伞顶部中心还有一个孔洞。降落伞利用空气阻力减速,开一个大孔不是减少阻力了么?最早的降落伞还真没这个孔,在实际使用中发现,降落伞会像钟摆一样晃个不停,更有一些降落伞一打开就被空气阻力撕裂。
    为了解决这个问题,科研人员在降落伞中央加上了孔口设计,让空气从下到上有一个通路,降落伞就会平稳下降。同时,返回舱携带的降落伞不能一次打开,否则空气阻力会撕破降落伞。为了降低开伞是造成的冲击,返回舱的降落伞不仅使用了引导伞和减速伞,还让降落伞按照预定设计逐级打开,通过延长充气展开时间来减少开伞冲击。
此外,虽然降落伞主伞看上去是一整块,但近距离看却是由一千多条小伞布拼接而成,构成一个个同心圆环,相邻每环伞衣之间留有宽度不同的缝隙,空气可以从这里流过,从而减少阻力。
多把伞需依次打开
    说了那么多,返回舱返回时,它的降落伞到底怎么使用呢?以俄罗斯的联盟号载人飞船为例,返回舱以超高声速再入大气层后,摩擦产生高温并形成黑障,大约20分钟后飞出黑障区,在下降到距离地面12公里高度时,速度降低到240米/秒。
    随着返回舱高度进一步下降,就轮到降落伞大显身手了。虽然,联盟号飞船返回舱的主伞面积高达1000平方米,但这样大的主伞不能一次全部打开,否则轻薄的大伞直接就被空气冲破,飞船会狠狠地砸在地面,造成航天员伤亡。因此,联盟号飞船的降落伞携带有多把伞,并按程序依次打开。
    当返回舱降低到10公里高度时,伞舱盖上的空气静压传感器发出弹射指令,伞舱盖和附带的一具小引导伞和大引导伞先后展开,随后再拉出14平方米的减速伞。这些伞依次打开后,使返回舱的下降速度逐步降低到90米/秒。
    当返回舱的高度降低到7.5公里时,主伞从伞舱弹出,经过预定时间延迟,部分打开后,返回舱降低到大约5.5公里高度,其速度下降到35米/秒时,火工切割刀自动切断收口绳,让1000平方米的巨大主伞彻底展开。此时,返回舱下降速度逐步降低到6米/秒左右,在着陆前启动舱底的制动火箭,让速度降低到2~3米/秒,最后安全着陆。