飞机上机翼压强为什么小于下机翼(在返回舱触地的一瞬间)

神舟13号回来了。看着很是激动同时又很好奇:在返回舱触地的一瞬间,受力多少呢?整个返回过程航天员是哪个阶段承受加速度最大?


答:

返回舱的再入返回过程非常复杂,为了回答以上两个问题,请允许我较为详细的介绍一下航天器返回的几个阶段。(PS:最后一段对问题的回答进行了总结)

环绕地球运行的飞船,脱离原来的运行轨道,并转入进入大气层的运行轨道,须经历制动段进入轨道过渡段两个阶段。该过程中航天器进行姿态调整,改变速度大小和方向,为进入大气层做准备。如下图所示,过渡段的轨道与地球稠密大气层的上界相交于E点,E点即是过渡段的终点。

飞机上机翼压强为什么小于下机翼(在返回舱触地的一瞬间)(1)

制动段和过渡段 | 图引自参考资料[3]

进入段,返回舱以高速进入大气层,对迎面的大气猛烈压缩并与之摩擦,表面温度急剧升高,返回舱速度下降,这是进入过程中环境最复杂恶劣的一段。而后,开始采用降落伞减速,这一段称为下降段。以神舟号飞船为例,在离地10km时,伞舱盖弹出,拉出导引伞,随后面积较小的减速伞打开,将返回舱的速度由每秒两百多米降至每秒数十米;在8km高度,减速伞与返回舱分离,面积较大的主伞打开,垂直速度逐渐降至8m/s左右。最终的一段称为着陆段,在离地1m处,着陆反推发动机点火工作,再次制动,返回舱以3m/s左右的垂直速度落地实现软着陆。

飞机上机翼压强为什么小于下机翼(在返回舱触地的一瞬间)(2)

下降段降落伞减速 | 图片源自网络

整个返回过程中,航天员承受的加速度(过载)主要有以下几个部分:

  1. 气动减速过载。航天器的返回方式可分为弹道式(升力很小)、半弹道式(升力与阻力的比值小于0.5)和升力式(升力大于阻力,如航天飞机)。美苏最初的载人飞船返回舱采用弹道式返回,最大过载在10g左右。而半弹道式返回由于最大过载低、落点控制更加准确,因此之后被广泛采用。神舟号飞船即采用此方式返回,其最大过载为3.22g。

  2. 开伞冲击过载。开伞过程中会突然减速,产生过载。最大开伞冲击过载不大于5g,过载大于3.5g的时间小于等于0.5s。采用多级开伞的方式,有效降低了过载。新一代的载人航天器,还会采用可控滑翔伞技术、甚至不需降落伞的发动机减速,这样,下降段的过载会进一步降低。

  3. 着陆冲击过载。着陆方式有海上溅落、气囊缓冲着陆、反推发动机着陆、着陆腿着陆等方式。神舟号飞船采用反推发动机着陆,着陆时,返回舱的冲击过载在20g到50g之间。借助于返回舱底部缓冲结构和座椅缓冲系统的缓冲,航天员承受的冲击过载为10g左右(胸-背部方向)。

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返回舱构型、布局及着陆方式 | 图引自参考材料[5]

总体来说,加速度最大的过程是着陆的瞬间冲击过程,此时航天员(按60kg计算)瞬时受冲击力约为6kN;返回舱(按3t计算)冲力估计在10^6N量级。另外,火工品(点火装置、爆炸分离装置等)工作时也会带来瞬间的冲击。返回过程中各个阶段过载的降低,是许许多多的科学家在大量的设计、测试和改善后得来的。在未来,回收着陆系统还会为越来越多的航天员的安全和健康保驾护航。

参考资料:

[1]李惠康.载人飞船回收着陆分系统简介[J].载人航天,2004(02):27-30.

[2]戚发轫,张柏楠,郑松辉,杨宏,张庆君,白明生.神舟五号载人飞船的研制与飞行结果评价[J].航天器工程,2004(01):1-14.

[3]荣伟等编著.航天器进入下降与着陆技术[M].北京:北京理工大学出版社.2018.

[4]杨宏等编著.载人航天器技术[M].北京:北京理工大学出版社.2018.

[5]朱光辰.载人飞船返回舱再入着陆力学环境防护技术改进[J].航天返回与遥感,2010,31(05):9-15.

by 小小羊


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