各国看神十二返回舱着陆(为什么神十三返回舱是钟型)

开头

神舟十三号三名航天员已经平安回家,从电视画面看到,天空中的降落伞像棒棒糖一样飘然而落,飞船返回舱像个金钟罩一样直立落地,安全着陆,从侧面看返回舱特别像一口“大钟”。

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值得一提的是,现在世界上的几种载人飞船的返回舱,像俄罗斯的联盟号,还有咱们的神舟飞船都是一个钟型的设计,而美国的龙飞船还有猎户座飞船,却是一个圆锥体的设计。

那么问题来了:这两种设计有什么区别?哪一种更好一点?

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前苏联飞船返回舱

说起载人飞船的发展,就不得不提到前苏联。

1957年10月4日,前苏联成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星,开辟了人类航天的新时代。

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为了在与美国的太空竞赛中继续保持“东风压倒西风”的优势,前苏联紧接着就投入了把宇航员送入太空的准备工作。

1961年4月12日,加加林被送入太空,首次实现了人类载人航天的梦想。

当时他搭乘的是"东方一号"载人飞船,在太空当中绕地球一周花了108分钟,然后安全返回了地面,成为了人类历史上太空飞行的第一人,书写了历史。

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这种飞船的返回舱有点意思,形状是球形的,宇航员是坐在弹射座椅上的。

当飞船再入大气层时会一边自由落体一边滚转,宇航员也因离心力作用被甩向舱壁。首位宇航员加加林后来回忆这种旋转:“我是一个完整的芭蕾舞团—头,然后是脚快速旋转。每样东西都在转。”

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当座舱返回地球到达低空时,宇航员乘弹射座椅离开座舱,乘降落伞单独着陆。

嗯!没错!跟我们目前完全不一样,现在都是返回舱先落地,然后航天员再从里面出来。

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由于当时前苏联也是刚开始做,没什么经验,所以就使用简单粗暴的办法-弹射降落,但是这种方式经过这次实验后,发现有点太危险了,所以球形的设计也就被淘汰了。

随后又开发出联盟号飞船,与第一代东方号相比,其内部可居住空间增大了一倍。采用的是钟型返回舱,之所以这么做是为了达到良好的外力控制特性和精确的落点,并使再入过载由东方号的8~9g(重力加速度)减至3~4g。

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返回时,钟形座舱先与轨道舱和设备舱分离,按预定轨道运行至离地4公里时打开降落伞,并借助缓冲火箭实现软着陆。

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哟,这飞船不错哦,于是后来就成为了国际空间站专用的载人飞船,为空间站的建立乃至前苏联整个航天事业的发展立下了汗马功劳。

神舟飞船返回舱

而中国神舟飞船的发展,其实很多地方大量借鉴联盟号设计的成功和经验。

1970年成功发射“东方红一号”卫星后,航天系统开始着手研制名为“曙光一号”的载人飞船,飞船可搭乘两名航天员,计划1973年发射。

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但由于种种原因,“曙光一号”载人飞船项目被迫取消,中国第一次载人航天计划未能顺利完成。

进入20世纪90年代,921工程研制的神舟飞船终于圆了中国人的飞天梦。

从现在的资料来看神舟飞船,使用了前苏联很多已经成熟的技术。

比如神舟飞船的布局采用了与联盟号相同的轨道舱、返回舱和服务舱的三段式格局,返回舱也采用了与联盟号一样的钟形,只是比联盟号的返回舱大13%而已。

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正是因为站在巨大的肩膀上,咱们发展才很快,1999年中国的第一艘载人飞船“神舟1”号研制出来,并于当年发射成功。

再到如今的神舟十三号,神舟系列已经成功发展了许多代,目前已经完全成型了。

比如神舟飞船全长9.13米、最大直径2.8米、质量约8吨;主体由轨道舱、返回舱和推进舱构成。

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轨道舱是一个圆柱体,总长度为2.8米,最大直径2.27米,一端与返回舱相通,另一端与空间对接机构连接。轨道舱集工作、吃饭、睡觉和清洁等诸多功能于一体。轨道舱的两侧安装有太阳能电池板,在独自飞行时也有电能供应。

返回舱呈钟形,有舱门与轨道舱相通。返回舱是飞船的指挥控制中心,长2米,直径2.4米,内设可供三名航天员斜躺的座椅,供航天员起飞、上升和返回阶段乘坐。

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推进舱呈圆柱形,长3米,直径2.5米,底部直径2.8米,内部装载推进系统的发动机和推进剂,为飞船提供调整姿态和轨道以及制动减速所需要的动力,还有电源、环境控制和通信等系统的部分设备。

与美国飞船区别

既然中国跟前苏联都是使用钟型结构,为啥美国猎户座飞船和龙飞船,使用的却是圆锥形?

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其实这两种没有特别大的区别,共同点都有一个宽大而圆钝的底部,之所以这么设计是为了启动减速刹车用的。

这些都是根据美国物理学家亨利艾伦的理论,利用激波来减速。

其原理是一个返回舱,如果做成钟型或圆锥形,底部宽大而圆钝,以超过20倍音速进入大气层时,这个底部会对空气形成强烈的压缩,从而在前方制造一个伞形的激波。

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激波前方的空气被压缩得就像一堵坚硬的墙,返回舱则躲在墙后面的尾流里,那么和前方空气接触的就不是返回舱,而是返回舱前面的激波锥。

所以气动加热是由激波的前沿和空气摩擦形成的,而这些热量也是由激波锋面内部传导并消耗。

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同时返回舱圆顿的底部造型会让激波锋面脱离飞船表面,并保持一定距离,这个距离就变成了一个隔热层。

所以圆顿的底部几米外才是激波的前沿,此处的温度可高达近5500摄氏度,由于这个隔热层底部的温度降低到不足1300度,航天器本身承受的热负荷就要小很多。

不仅如此,当返回舱在下落过程中出现摇摆时,前方的伞形激波锥也会跟着摇摆。

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由于激波锥在前进方向上是后掠的,在摇摆时会造成一侧的激波面前移阻力增大,而另一侧的激波面后移阻力减小,形成了阻力差,阻力差就是返回舱的自动回正力矩,所以这个激波能够让返回舱自动保持稳定。

用通俗易懂的话说就是,这样做更有助于保持姿态的稳定,也更有利于减速。

毕竟飞船在返回地面的时候,最重要的不就是三件事嘛,减速稳定,还有防热。

结尾

要知道,从太空到地球不是一件容易的事。

飞船进入大气层后,速度可达每秒10千米的速度,下降过程中还伴随着千变万化的气流,这会使高速飞行的返回舱难以保持固定的姿态,同时飞船又与大气层摩擦生热,温度会瞬间超过1000℃,就会像一团火球一样。

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所以对于返回舱,有很多的要求。

而其外形不管是钟型还是圆锥形,都只是个人喜好而已,只要底大头小就够了,这样能更好缓解飞船减速过程中形成的冲击,从而给航天员带来更多保护。

毕竟老话说得好,不管黑猫白猫,只要能抓到老鼠就是好猫!

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