自从化学燃料发明以后,火箭理论开始渐渐被完善,特别是在齐奥尔科夫斯基提出了完善的火箭系统理论后,火箭的发明从幻想变成了现实。
火箭发射后,很长一段时间里,火箭升空完全脱离地球束缚都是一种奢望,也是在这种奢望下,地球的引力束缚理论开始渐渐完善,揭示了火箭脱离地球引力的方法,这便是要求火箭必须达到一定的速度才能完成摆脱地球引力的束缚。
不过很多人会注意到在地球将宇航员送往太空时就需要火箭和发射系统,但是在中国太空空间站返回地球的三位宇航员却没有用到火箭和配套的发射系统,可以说太空中,没有火箭和发射塔,那么这些宇航员是如何回到地球的呢?
一、离开地球和返回地球的不同
今天的火箭发射系统在将运载宇航员的旅行仓发射往太空中的过程中,往往都需要采用二级火箭发射系统,而运送到月球,甚至更远距离时还需要用到三级火箭发射系统,不过在宇航员返回地球时,近地轨道上的宇航员都不要火箭以及发射塔,直接采用旅行仓上的推进器即可,那么这种差别究竟是怎么造成的呢?
这就不得不说离开地球时需要的推力远大于返回时的推力,从而造成了返回地球时仅仅需要推进器就可以做到。
为什么离开地球会比返回地球更难呢?
这便不得不说地球的重力场的空间分布问题了,引力是物质在空间中扭曲造成的,这也通过爱因斯坦提出的引力场方程可以看到,引力的大小与物质扭曲空间的几何距离有关,越靠近扭曲凹陷处,那么引力作用就会越大,相反距离越远,引力越小。
在地球地表,这是地球造成空间扭曲的凹陷最深处,所以引力作用较大,于是造成了摆脱引力场束缚也就越加困难。需要火箭搭载宇航员的旅行仓加速到第一宇宙速度才能摆脱地球引力场束缚,从而运抵近地轨道。
来到近地轨道上的旅行仓在返回地球时所面临的情况却与曾经离开地面不同,宇航员所乘坐的旅行仓在近地轨道上受到地球引力场的作用,有向地球内轨道运动的趋势,同时在旅行仓本身的推进器的作用下,只要加速向地球内轨道运动,那么宇航员所乘坐的旅行仓就能顺利返回地表。
正是在离开地球和返回地球的区别,这便造成了今天的宇航员想要返回地球一般都是利用返回地球的旅行仓,加速到亚音速就能顺着地球引力场的作用下,来到地球的内轨道,并降落在地球表面,这也让宇航员返回地球所付出的成本较低,不过这并不代表技术要求低,相反宇航员返回地球的技术要求同样很高。
二、推进器成了技术关键
虽然宇航员返回地球仅仅需要推进器提供动力即可,但这并不意味着推进器的技术水准比火箭低,相反推进器与火箭一样,是航天技术的核心。
宇航员返回地球时所乘坐的返回舱运载飞船上的推进器如今可分为几类推进器,第一就是化学燃料推进器,第二就是太阳能电推进器,第三就是等离子推进器。
这三类推进器的技术可谓都不亚于火箭推进器,在返回舱确认要返回地球后,推进器就会点火,产生动力,让返回舱开始朝地球的内轨道方向运动。
在运送返回舱运动的过程中,因为化学燃料推进器往往受限于化学燃料储量有限,所以可航行的周期短,于是这便对返回舱的精准投送形成了挑战。
目前中国作为一个航空大国,宇航员的返回舱在返回时都做到了精准投送返回舱,于是从这一点便能看出中国目前在推进器技术上的革新,为了实现返回舱的精准投送,于是中国载人航天工程中很早便淘汰了化学燃料推进器,转而以电推进器为主。
在宇航员所乘坐的旅行舱绕预定轨道运行时,就利用太阳能翼展部分开始为推进器蓄电,这让日后搭载返回舱的飞船在返回运动中有了更多的运动空间,并让精准投送返回舱成为了可能。
在精准投送返回舱的过程中,地面控制中枢与搭载返回舱的飞船紧密联系,并在地面控制中枢的引导下在运动到预定轨道时,飞船向降落轨道上投送返回舱。返回舱顺着降落轨道自由运动,在这个过程中并不需要任何动力,返回舱仅需要顺着降落轨道运动即可。
不过在返回舱返回地球的这段过程中,返回舱所要面临的挑战还非常多,特别是在经过地球大气层时的高度摩擦,这会让返回舱面临高温的考验。
在这个过程中返回舱所要面对的温度都在500摄氏度左右,可见这种能融化钢铁的温度,人体肯定是承受不了的,于是这对返回舱提出了许多技术要求,其中最为重要的就是隔热技术,在应对高温上,返回舱拥有着厚厚的隔热层,这里都是由各类隔热材料制作成的隔热层,用于隔离返回时的高温。
同时返回舱整体也呈现了大钟形,这让返回舱在进入大气层时能减少摩擦,更有利于穿越大气层,如此一来返回舱在地球引力场的作用下便能顺利返回预定降落地点。
三、结语
三位宇航员能顺利返回地球,除了返回地球所用的飞船以外,最重要的就是返回舱了,正是因为有了返回飞船推进器技术保障和地勤人员的精准控制,以及返回舱的高效和安全才让三位宇航员顺利地返回了地球。