來源：中國航天報
4月16日9時56分，神舟十三號載人飛船返回艙攜帶翟志剛、王亞平、葉光富3名航天員在東風(fēng)著陸場預(yù)定區(qū)域成功著陸，完成了在天宮空間站執(zhí)行長達半年的飛行任務(wù)，這也是我國航天史上最長時間的太空“出差”。
眾所周知，航天員是天之驕子，為保障他們安全返回地球，蘇聯(lián)/俄羅斯、美國和中國等具備載人航天能力的國家都采取了各種措施。那么，為保障航天員安全返回地球，在技術(shù)上都有哪些亮點和進步呢？
返回關(guān)鍵當(dāng)屬測控
截至目前，世界上只有蘇聯(lián)/俄羅斯、美國和中國獨立掌握了載人航天技術(shù)，各自都建有載人航天系統(tǒng)。
載人航天不僅技術(shù)復(fù)雜，還投資大、風(fēng)險高。載人任務(wù)的風(fēng)險不僅存在于飛船發(fā)射和在軌飛行階段，飛船返回階段也是重中之重。保障飛船的安全返回，測控和通信系統(tǒng)十分關(guān)鍵。
測控和通信是確保載人飛船返回的關(guān)鍵
測控通信系統(tǒng)是載人航天系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)著對空間站和飛船的飛行軌道、飛行姿態(tài)以及工作狀態(tài)的測量監(jiān)視和控制任務(wù)，是天地聯(lián)系的唯一手段。
早期載人航天測控系統(tǒng)分別由單脈沖雷達、遙測、通信以及電視等多個子系統(tǒng)組成。由于是各自使用不同的波段，飛船需要安裝多種發(fā)射和接收機，增加了飛船設(shè)備的重量和功耗，操作起來也很麻煩。
上世紀(jì)60年代，美國為阿波羅載人登月計劃開發(fā)了統(tǒng)一的S波段測控系統(tǒng)（USB）。這種綜合測控系統(tǒng)將跟蹤、遙測和控制等信號調(diào)制在同一無線電載波上，不僅減少了飛船通信設(shè)備的數(shù)量和重量，也簡化了測控操作，提高了測控體系的性能。
“阿波羅”計劃后，歐空局和日本等組織和國家紛紛建立了USB測控系統(tǒng)或?qū)⒃鹊臏y控系統(tǒng)升級為USB測控系統(tǒng)。我國921載人航天工程也從一開始就確定建立了USB測控系統(tǒng)，為神舟載人飛船的飛行和返回保駕護航。
載人航天測控通信系統(tǒng)初期由陸地測控站和海上測控船組成，但測控系統(tǒng)覆蓋的飛船軌道弧段有限。載人飛船要返回，必須在陸上測控站或海上測控船覆蓋范圍內(nèi)發(fā)送控制指令，因此，測控站的位置限制了飛船返回窗口。
隨著測控通信技術(shù)的發(fā)展，誕生了革命性的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星。使用衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼和跟蹤測軌服務(wù)，3顆中繼衛(wèi)星即可覆蓋飛船和空間站的全部軌道，為飛船飛行和返回提供了空前的覆蓋率和可靠性，極大地提高了飛船返回的安全性。
目前，美國擁有最完善的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，歐空局和日本也有自己的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，我國也建立了天鏈中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，實現(xiàn)了對神舟載人飛船軌道測控的全面覆蓋，提高了飛船返回的靈活性和安全性。
快速返回提高舒適性
此次神舟十三號載人飛船首次采用了快速返回模式，將過去1天多的返回時間大幅縮短，進一步提高了航天員的舒適度。與此同時，采用快速返回模式不僅縮短了飛船的獨立飛行時間，也降低了發(fā)生意外的概率，有利于提高航天員返回的安全性。
神舟十三號載人飛船軌返分離
神舟十三號載人飛船返回艙再入大氣層
蘇聯(lián)/俄羅斯、美國和中國都建設(shè)有供載人飛船返回的固定著陸場，但由于著陸場的限制，載人飛船和空間站分離后，不能立即點火制動返回地球，而是要圍繞地球軌道繼續(xù)飛行，等到軌道正好經(jīng)過著陸場上空，也就是出現(xiàn)合適的返回窗口，才能點火制動踏上回家的路，這種漫長的等待時間無疑會增加航天員的疲勞與不適。
隨著技術(shù)的發(fā)展，載人飛船可以自由選擇脫離空間站時間和返回時間，但也對軌道控制提出了更高要求，要具備更好的測軌定軌和控制能力。
我國原先的神舟載人飛船和空間站分離后需要1天左右才會返回地面，而美國SpaceX公司的載人龍飛船的返回時間也不短。例如，首次載人對接國際空間站的Demo-2任務(wù)中，該飛船于2020年8月1日23時35分與國際空間站分離，但濺落到海面已經(jīng)是8月2日18時46分，返回時間長達19小時11分。
為減少航天員在飛船返回艙內(nèi)停留的時間，SpaceX公司在后續(xù)任務(wù)中也縮短了返回時間。例如，在Crew-1載人飛行任務(wù)中，飛船于2021年5月2日零時35分與國際空間站分離，濺落到海面是同一天的6時56分，返回時間縮短到6小時21分。
蘇聯(lián)/俄羅斯的聯(lián)盟號載人飛船為提高航天員返回的舒適性，從一開始就力求縮短返回窗口實現(xiàn)快速返回地球。例如，蘇聯(lián)對接禮炮1號空間站的聯(lián)盟十一號載人飛船，它在和空間站分離后不到5個小時就安全著陸地面。新一代聯(lián)盟號載人飛船將返回地面的時間進一步縮短。例如，禮炮六號空間站階段的聯(lián)盟T-4載人飛船，從9時20分分離空間站到12時37分落地，返回時間只用了3小時17分。
聯(lián)盟號載人飛船撤離國際空間站可快速返回地球
如今，俄羅斯現(xiàn)役的聯(lián)盟號載人飛船為提高航天員的舒適度和安全性，一般都采用快速返回模式。
精準(zhǔn)著陸確保航天員安全
航天員乘坐的飛船返回艙安全降落地面并不是任務(wù)的結(jié)束，航天員和地面搜救隊伍匯合才算安全回家。
搜救人員快速抵達神舟十三號飛船返回艙現(xiàn)場
早期載人飛船使用彈道式再入方案，導(dǎo)致落點精度很低。飛船返回艙和預(yù)定落點距離遠，意味著搜救隊伍和返回艙的距離也遠，搜救隊伍要花費很大精力去尋找載有航天員的返回艙。同時，返回艙降落到不可控的地方，也會為航天員帶來一定的安全問題。
人類第一位航天員加加林就是典型。他乘坐的東方一號載人飛船再入返回時，由于返回艙制動系統(tǒng)失靈，他落到了距離預(yù)定落區(qū)100多公里的田野上，好在搜救隊伍在返回艙落地1個多小時后就找到了他。
不是每個人都有好運氣。1965年，在蘇聯(lián)“上升二號”任務(wù)中，雖然列昂諾夫?qū)崿F(xiàn)了人類首次太空行走，但他在返回時就很不順利，由于飛船制動發(fā)動機失靈，他又繞地球飛行一圈后啟動手動返回模式，落到了南烏拉爾地區(qū)皮爾姆的原始森林里，偏離預(yù)定落區(qū)386公里。他不得不用隨身攜帶的手槍開火嚇跑野狼和黑熊，并在寒冷的氣溫中度過了一個艱難的夜晚后才等到姍姍來遲的地面搜救隊。
隨著載人飛船可靠性的提高和半彈道再入技術(shù)的應(yīng)用，以及航天飛機使用的升力式再入，載人航天器再入降落的精度已經(jīng)提升到很高水平。
如今，俄羅斯聯(lián)盟號載人飛船的預(yù)定落點和實際落點的偏差只有幾公里到十幾公里，地面搜救隊伍乘坐直升機和車輛能很快達到現(xiàn)場，航天員基本沒有了在野外長時間等待的危險。
美國SpaceX公司的載人龍飛船的落點精度在1公里左右，可以做到返回艙還沒有降落到海面，搜救隊伍乘坐的船只就已經(jīng)到達預(yù)定海域。這樣的落點精度和反應(yīng)速度，更不用擔(dān)心飛船返回艙進水等意外事情發(fā)生。
2021年9月17日，我國神舟十二號載人飛船的返回艙在東風(fēng)著陸場預(yù)定區(qū)域著陸時，其落點精度也大大提高，已經(jīng)能做到艙落人到，及時保證了航天員的安全。
神舟十二號載人飛船做到艙落機降
總之，載人航天生命攸關(guān)，載人飛船采取多種措施保障航天員的生命安全。從測控通信到快速返回，從精準(zhǔn)降落到快速搜救，都顯著提高了航天員返回階段的安全性。
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