基本介紹
- 中文名：返回艙
- 外文名：Return cabin
- 又稱：座艙
- 實質：航天員駕駛室，往返太空乘坐艙
- 結構：密閉結構，前端有艙門
- 要求：密閉性，防燒蝕易散熱
- 結構：座艙，防熱層，降落傘
- 著陸方式：海面著陸，地面著陸
- 著陸過程：制動離軌、自由下降等等
簡介,結構要求,密閉性,防燒蝕易散熱,結構,座艙,防熱層,降落傘,著陸方式,海面著陸,地面著陸,著陸過程,制動離軌段,自由下降段,再入段,著陸段,
簡介
一般載人太空飛行器可分為推進艙、軌道艙和返回艙三部分。
返回艙
返回艙軌道艙是航天員的主要活動區域，除了升空和返回時要進入返回艙以外，其他時間航天員都在軌道艙里，軌道艙集工作、吃飯、睡覺和盥洗等諸多功能於一體。
返回艙又稱座艙，它是航天員的“駕駛室”。是航天員往返太空時乘坐的艙段，為密閉結構，前端有艙門。返回艙和推進艙脫離後，返回艙返回，推進艙焚毀，而軌道艙相當於一顆對地觀察衛星或太空實驗室，它將繼續留在軌道上工作一段時間。
結構要求
密閉性
與飛船其它載人艙段一樣，返回艙有很高的密封性。但與軌道艙不同的是，返回艙在高溫、高壓作用下仍需保證氣密性。
防燒蝕易散熱
為避免與大氣劇烈摩擦產生的高熱燒穿艙壁，返回艙表面塗有燒蝕材料，利用材料的熱解、熔化、蒸發等方式散熱。這種材料是石棉、玻璃與酚醛摻合形成的複合材料。直徑2.5米的神舟返回艙表面積有22.4平方米，防熱材料總重量約500千克。為避免局部過熱，返回艙有滾轉調姿發動機，會通過自轉來均勻受熱。
結構
返回艙返回時會在重力的作用下重新進入大氣層，氣流千變萬化將使高速飛行的返回艙難以保持固定的姿態，因此必須把返回艙做成不倒翁的形狀，底大頭小，不怕氣流的擾動。 整個返回艙可分為三部分。
座艙
返回時航天員所處區域，除了配備可以減小衝擊力的座椅外，航天員的應急物品及儀器、膠捲、磁帶、試驗樣品以及科學數據和遙感資料等都會放在這裡。
神舟九號的返回艙內的坐椅非常像嬰兒椅，因為返回的時候航天員必須要保持蜷縮的姿勢，這是非常安全的姿勢。 返回艙坐椅似嬰兒椅，專家稱可以減小衝擊影響。在返回前這個坐椅還要提升起來，以緩衝落地時瞬間衝擊所帶來的衝擊力。
防熱層
與大氣劇烈摩擦時，會在艙表產生數千度的高溫，如果不解決防熱問題，飛船還沒等落地就燒成了灰燼。返回艙表面有一層防熱層，是用特殊的燒蝕材料做成的，防熱原理就是通過材料的燃燒而把熱量帶走，經科學家試驗研究發現，大鐘的形狀相對有利於實現防熱目標。
國際上飛船返回艙的防隔熱主要通過三種方法：一是吸熱式防熱，在返回艙的某些部位，採用導熱性能好、熔點高和熱容量大的金屬吸熱材料來吸收大量的氣動熱量；二是輻射式防熱，用具有輻射性能的鈦合金及陶瓷等複合材料，將熱量輻射散發出去；三是燒蝕防熱，利用高分子材料在高溫加熱時表面部分材料融化、蒸發、升華或分解氣化帶走大量熱量的方法散熱。
我國的神舟系列飛船採用了自主研製開發的以燒蝕防熱為主、以輻射式防熱和隔熱為輔的防隔熱材料體系。採用先進的防隔熱材料技術給返回艙穿上一層25毫米厚的“防熱衣”，防熱材料在巨大熱流的作用下，自身分解、熔化、蒸發、升華，在消耗表面質量的同時帶走大量的熱，材料分解形成密實外殼向外輻射熱量，並且內部未燒蝕的隔熱區域，起到阻止熱量進入返回艙的作用。以上因素共同決定了燒蝕防熱材料具有良好的熱防護功能，可使飛船內部溫度控制在30攝氏度左右。
降落傘
返回艙在降落過程中，至少要“打”三把傘——引導傘、減速傘、主傘，共三把傘。如有必要,還有第四把傘——備份傘。中國神舟六號降落傘主傘的面積為1200平方米,全長達70多米，傘衣有20多米長，疊起來卻只有一個手提包大小，重量僅90多公斤。動力裝置 返回艙本身無動力，但飛船的樣子是由兩部分組成，前面一個小一些的椎體是返回艙，而後面還有一個較大的柱體可以稱其為服務艙，哪裡有動力等很多裝置。當要返回時動力裝置使飛船減速就可以使飛船以螺旋狀軌道回到地面。當進入返回軌道後這兩部分就會分離。
著陸方式
返回艙承載了太空人及大量的精密試驗儀器，返回艙的成功回收是載人航天工程中至關重要的一個環節。返回艙在返回地面的過程中，一般都採用降落傘來降低其著陸速度。由於受降落傘的設計著陸速度限制，載人航天返回艙在陸地上的著陸速度一般為6-7m/s，而對無人返回艙可達10-14m/s。返回艙以這樣大的著陸速度著陸時會在著陸瞬間產生很大的衝擊，對艙內太空人及儀器設備造成較大影響。
返回艙著陸衝擊系統包括返回艙和著陸場地面兩部分。返回艙的著陸衝擊過程主要得到以下結論：
（1）返回艙大底上遠離落點位置達到應力峰值的時間相對落點位置有所滯後，同時落點處的應力值隨著陸速度的變化較小，而距落點較遠的位置則隨著陸速度的變化幅度較大；（2）從加速度回響看，由於大底的緩衝作用，大樑上的加速度回響峰值大底上有明顯減小，且加速度回響值在40-80Hz頻率範圍內較大；（3）從衝擊能量的分配情況可以看出，著陸地面是衝擊能量吸收的主體，而大底則是返回艙上最主要的吸能部位，在返回艙的結構設計中應充分發揮大底的緩衝作用。
海面著陸
返回艙入水後將自動釋放出染色劑，把周圍海水染為螢光色，並及時發出GPS定位信號，方便救援人員在海上快速發現目標。降落的返回艙根據其技術和使用特性(密封性、飄浮性、攜帶有生保設備等)能夠保障航天員長時間生存在其中。當返回艙濺落在海面上時，航天員為生存進行的活動包括：選擇適宜返回艙停留的地點和停留姿態；使用艙載無線電系統與外界聯繫；利用返回艙內的應急物品；著航天服或潛水衣離開返回艙。航天員離開返回艙後漂游時進行的活動包括：建造救生筏以便乘員組集體行動；給潛水衣充氣；食用攜帶型應急裝備內的食物和水；使用應急無線電及光學信號設備同外界聯繫；向搜尋救援直升機或艦船靠近。當返回艙飄浮在水面上，而換氣孔關閉時，如果返回艙內的溫度和氣體成分在允許的範圍內，那么為了保障安全，航天員留在返回艙內更為合適。除非萬不得己，航天員不會離開返回艙。美國“水星”“雙子星座”和“阿波羅”系列載人飛船均選擇海上回收。
阿波羅11號返回艙
阿波羅11號返回艙地面著陸
當返回艙降落在沙漠上時，航天員應利用返回艙和降落傘建造防風沙掩體。冬季，當返回艙降落在森林沼澤地或凍土地時，航天員應利用返回艙與其他器材建造防寒掩體。
著陸過程
載人飛船完成預定任務後，載有航天員的返回艙要返回地球，整個返回過程需要經過制動離軌、自由下降、再入大氣層和著陸4個階段。
制動離軌段
飛船通過調姿、制動、減速，從原飛行軌道進入返回軌道的階段稱制動離軌段。返回前，飛船首先要調整姿態，使飛船在水平方向逆時針轉動90°，由軌道艙在前、返回艙居中、推進艙在後的狀態變為橫向飛行狀態，這是飛船的第一次調姿。緊接著，軌道艙與返回艙以每秒1～2米的相對速度分離，軌道艙留在太空軌道繼續運行，這就是軌道艙分離。此時，飛船變成了推進艙和返回艙的組合體。如右圖。兩艙組合體繼續逆時針轉過90°，變成推進艙在前、返回艙在後的飛行狀態，同時再調整俯仰角達到制動要求，這是飛船的第二次調姿。飛船推進艙上的發動機點火工作，產生與飛船飛行方向相反的作用力，使飛船飛行速度降低，從而脫離原飛行軌道進入返回軌道，這個制動過程可比喻為“剎車”。
兩艙構成的飛船
兩艙構成的飛船自由下降段
飛船從離開原運行軌道到進入大氣層之前，空氣阻力很小，主要是在地球引力的作用下呈自由飛行狀態，因此，這個階段稱為自由下降段或過渡段。在這個飛行階段，飛船按照計畫要完成推進艙分離、建立再入姿態等重要飛行事件。其中，推進艙在與返回艙分離後，會在進入大氣層後燒毀。返回艙建立正確的再入姿態角（速度方向與當地水平面的夾角）是一項重要的工作，這個角度必須精確地控制在一定的範圍內，如果角度太小，飛船將從大氣層邊緣擦過而不能返回；如果角度太大，飛船返回速度過快，將像流星一樣在大氣層中被燒毀。
再入段
從返回艙進入稠密大氣層到其回收著陸系統開始工作的飛行階段稱為再入段。飛船返回時從離軌時的真空環境再次進入大氣層，這個階段稱為再入段。再入大氣層的高度一般為80～100千米。返回艙進入稠密大氣層後，承受氣動加熱和再入過載，是返回過程中環境最為惡劣的階段。隨著高度的降低，空氣密度越來越大，返回艙與空氣劇烈摩擦，使其底部溫度高達數千攝氏度，返回艙周圍被火焰所包圍，因此，對返回艙要採取特殊的防熱措施。返回艙下降到一定高度時，接收不到地面傳送的無線電信號，地面也接收不到返回艙傳送的無線電信號，因此，這個區域被稱為無線電“黑障區”。當返回艙軸向過載達到規定指標時，返回艙實施升力控制，使返回艙過載不超出航天員所能承受的範圍，並且用升力控制來控制返回艙落點位置，使返回艙返回預定著陸場。
著陸段
返回艙從打開降落傘到著陸這個過程稱為著陸段。隨著高度的降低和速度的減小，返回艙所受到的氣動阻力與地球引力漸趨平衡，返回艙以大約每秒200米的均速下降。但如果返回艙以這個速度沖向地面，後果將不堪構想，所以必須使返回艙進一步減速。在距地面10千米左右高度，返回艙的回收著陸系統開始工作，先後拉出引導傘、減速傘和主傘，使返回艙的速度緩緩下降，並拋掉防熱大底，在距地面1米左右時，啟動反推發動機，使返回艙實現軟著陸。為增加著陸的可靠性，返回艙上除裝有主降落傘系統外，還裝有面積稍小的備份降落傘系統。一旦主降落傘系統出現故障，可在規定高度應急啟用，使返回艙安全著陸。
