神舟十九号飞船很快就会返航了!在2024年10月30日,神舟十九号飞船发射升空,在经过大约6.5小时的飞行后就成功抵达中国空间站并且完成交会对接。从发射升空至今,神舟十九号飞船已经在轨飞行了5个月时间,预计在本月底或者5月初就会返回地球。
我们的空间站首个舱段天和号核心舱在2021年4月发射升空,至今也已经在轨飞行了差不多4年时间了虽然我们的空间站飞行了很长时间,先后迎来了多批航天员,但是我们从来都没有听说过空间站出现氧气、食物、水用完的情况。
我们知道,空间站内有循环系统,航天员日常产生的各种废水会通过回收利用的方式进行处理,然后循环利用。而且在空间站失重的环境下,航天员没法像在地面那样淋浴,所以在空间站内消耗的水不会像在地面那么多。每隔一段时间,我们就会发射一艘货运飞船进行补给,运输水、食物、衣物等物资以及推进剂、科学载荷前往中国空间站。所以,空间站内的食物、水是可以得到保障的。
氧气的情况就不同了。首先,3名航天员在轨飞行半年时间就差不多需要30万升氧气。这个量还是相当大的,不管是天舟货运飞船还是中国空间站都没有这么大的空间来装这些氧气。其次,就是我们的航天器有这么大的空间也不可能装着这么多纯氧的,因为纯氧太危险了,任何一点小火花都可能会导致起火。既然如此,空间站需要这么多氧气,氧气是哪里来的呢?
很显然不可能是直接从飞船、空间站外获得的。因为飞船、空间站组合体在距离地球表面大约400公里的轨道飞行,在这个高度几乎不存在空气了,飞船不可能直接从外太空获得氧气。实际上,空间站内的氧气也是来自地球,但不是以气体的方式进入空间站,而是水。
事情是这样的,水由氢、氧组成,从理论上来说,电解水就能产生氧气、氢气,这也是为什么世界各国都致力于在月球、火星寻找水资源的原因。如果我们能够在月球、火星上找到足够多的水资源,那就能电解水来产生航天员所需的氧气,还能得到氢气作为飞船、月球车的燃料。
3名航天员飞行半年时间需要大约30万升氧气,货运飞船根本就没法装得下这么多氧气,然而装水就很简单了。因为只需要大约500升水,就能产生3名航天员飞行半年所需的氧气了。飞船装不了30万升氧气,但是装500升水还是很轻松的。而且,我们空间站内有回收系统,能够将航天员产生的各种水回收(包括尿液等),这些被回收循环利用的水最后也可以用来电解制备氧气。
返航过程惊心动魄
现在距离神舟十九号飞船返航时间越来越近了,最快的情况下,神舟十九号飞船将会在本月底就会回到地面。飞船返航的过程虽然看起来好像就是从外太空减速,然后降低飞行轨道高度进入大气层,最后在着陆场进行伞降而已,但是实际过程中却是非常复杂的。
飞船在返航过程中,需要在极短的时间内完成一系列的操作,任何一个操作都不能出现问题,而且返回地球的过程充满了惊险,可以说是惊心动魄的。这是怎么回事?
我们看下神舟飞船是怎么返回地球,就知道这个过程有多惊险了。
飞船发射升空后会和空间站组合体进行交会对接,形成一个组合体,在轨期间,飞船一般不会从空间站组合体撤离,一起飞行几个月时间。在这期间,飞船内部的空间可以用来装各种物资,可以让空间站内部的活动空间更大一些。在有必要的情况下,甚至可能利用飞船的发动机进行变轨或者加速。而当飞船结束飞行任务时,就需要从空间站组合体撤离了。
现在神舟十九号飞船已经在轨飞行5个多月时间,本次飞行任务时长大约为6个月,预计在本月底或者5月初就会返航。在返航前,神舟十九号的航天员们会穿上舱内航天服,进入神舟十九号飞船的返回舱内,把自己固定在座椅上,然后关闭飞船的舱门。在完成一系列的操作后,神舟十九号飞船就会从中国空间站组合体撤离,进入单独飞行的状态。随后,飞船就要进行一系列的操作才能返回地球。
因为飞船撤离后,它的飞行速度还是相当快,接近地球第一宇宙速度7.9公里每秒,如果不采取措施进行一系列的操作,飞船会保持这样的速度飞行很长时间,很久都不能重返地球。而飞船内部空间很小,搭载的物资不多,而且航天员也不能长时间在飞船内飞行,所以就需要利用飞船的发动机进行减速,加快飞船降低轨道的速度。
第一步,飞船需要进行姿态的调整。飞船在进行姿态的调整过程中,会进行轨道舱的分离,只留下推进舱、返回舱组合体。随后飞船组合体会继续进行姿态的调整,最终让推进舱位于飞船的前进方向,返回舱在后面。这样做的原因就是要借助推进舱的发动机进行减速,在启动发动机后,飞船组合体的速度就会降下来了,飞行高度也会下降。
第二步,就是进行推进舱和轨道舱的分离。由于飞船再入大气层时会经受高温的灼烧,而推进舱承受不住这么高的温度,返回舱则可以承受,所以最后只有返回舱能够安全着陆。在距离地面大约还有145公里时,推进舱就会和轨道舱进行分离,返回舱搭载宇航员返航。
当返回舱高度下降到大约还有100公里时,就会进入地球大气层了。随着飞船返回舱不断下降高度,空气密度也会越来越大,气动加热效应会越来越强烈,导致飞船返回舱外部的温度飙升到1000多℃。不管是推进舱还是轨道舱,或者火箭残骸、卫星残骸,它们再入地球大气层时一样会经受这么高温的灼烧,然后在大气层中化为灰烬。
对于返回舱来说,这么高温也确实是一个巨大的挑战。之前很多航天员在接受采访时都提到了乘坐飞船返回时的感受,就像坐在“炼丹炉”里那样,透过飞船舷窗可以看到飞船外部被烧得通红。不过大家不需要担心,因为飞船返回舱经过特殊的设计,完全可以承受这么高温的灼烧而不会有任何问题。只不过在经受这么高温的灼烧后,飞船返回舱外部就会被烧得黑不溜秋了。
第三步进行伞降。飞船返回舱在重返地球过程中没有办法进行大幅度的减速,所以还需要采取很多措施来降低飞船的速度才能安全着陆。地球有浓密的大气层,可以借助空气阻力进行减速。当飞船返回舱下降到距离地面差不多还有10公里的时候,就会打开降落伞了,降落伞的面积达到1200平方米,可以将返回舱的下降速度降低到7-8米每秒。
最后一步就是反推缓冲。虽然有降落伞的帮助,飞船返回舱的下降速度降低到8米每秒了,但是对于航天员来说,如果以这一个速度进行着陆的话,冲击力还是有点大。所以,我们神舟载人飞船返回舱底部安装了反推发动机,在距离地面还有1米左右的时候,这些反推发动机就会迅速点火,给飞船返回舱通过一个向上的推力。
在反推发动机的作用下,飞船返回舱的下降速度可以降低到1-2米每秒,大大降低了着陆时的冲击力,从而在最大程度上保护航天员的安全。由于是在距离地面差不多还有1米时启动反推发动机,强大的推力会掀起地面的灰尘,这就是为什么神舟飞船着陆瞬间烟尘滚滚的原因。这是正常操作,大家不需要担心。