载人航天飞船如何确定返回点（载人飞船在返回时是如何保持平衡姿态的）

新一代载人飞船连续发射

2020年5月8日，中国#新一代载人飞船# 试验船在东风着陆场预定区域成功着陆，据新闻报道飞船落地打了个“10.8环”，如果是射击比赛就意味着是命中靶心。

而就在几天之后，如果顺利的话，美国SpaceX的“龙-2”载人飞船也将载着两名宇航员开启它的首飞，随后它也将按计划溅落在预定海域。

龙-2空船试飞返回

不知你注意过没有，几乎所有的载人飞船，它们的返回舱在下降的过程中清一色都是大头朝下。为什么飞船在返回的过程中能做到在不受控的情况下保持平稳？万一它发生翻滚会有什么样的后果？飞船有可能发生翻滚吗？今天我们就从科学的角度讨论这些问题。

飞船返回想象图

飞船的形状

传统的飞船返回舱大致分两种形状。一种是钟形，它就像是一口扣着的铜钟，下大上小，船身有圆滑的过渡曲线，前苏联的联盟号以及咱们的神舟飞船就是这种样式；另一种是锥体形或者叫圆台形，阿波罗飞船的指令（返回）舱，以及大多数新一代载人飞船都属于这种。即将发射的“龙-2”也是近似圆台，只不过它的四周安装了反推发动机，设计成比较科幻的模样。

新一代飞船与传统飞船的形状

无论飞船被设计成什么样子，它的返回舱通常都表现为下大上小的形状。

飞船返回舱为什么要做成这个样子？

我们知道，由于万有引力的关系，任何处于地球附近的物体都受到地球引力的影响，而为了平衡地球引力，航天器需要用第一宇宙速度飞行。也就是说围绕在地球轨道上的卫星、空间站以及载人飞船，其最小速度是7.9千米/秒；你想飞去月球，速度需要更快一些；而你要想与地球平起平坐成为围绕太阳飞行的航天器，则需要达到11.2千米/秒的第二宇宙速度。反之，从这些地方回到地球上，你的返回速度也与之相对应，同时由于地球重力加速度的影响，下降速度会越来越快。

飞船是无法以第一宇宙速度回到地球表面的，没有任何一个航天器能够承受如此巨大的冲击；进入大气层时，速度太快会因为与空气摩擦产生高温而焚毁。所以一是需要在规定时间内把速度降下来，二是避免在大气层中烧毁，同时还要考虑减速造成的过载不会杀死飞船里的宇航员，解决这些复杂问题我们需要用到空气动力学原理。

一颗卫星在大气层中焚毁

由于运载火箭发射的空气动力学要求，同时兼顾结构的牢固和安全，飞船大多被设计成圆台或接近圆锥体。当飞船上升时，其锥面向上以获得更高的升阻比；当飞船返回时就需要重点考虑怎么更快地把速度降下来，因此我们需要飞船有更低的弹道系数。

姿态不同造成弹道系数明显差异

在发射子弹或导弹时，高弹道系数是我们追求的目标，那样可以飞得既快又远；而在飞船返回的过程中高弹道系数不利于减速，因此需要将飞船的底部朝向前方。这样做的另一个好处是，我们可以以最小的面积来设计隔热系统，用最小的代价保护飞船不在返回大气层时被超过2000℃的高温焚毁。

飞船返回想象图，它的底部是防热层

飞船如何克服翻滚？

与发射过程不同，飞船返回舱在重回大气层的大部分时间里是不受控的，一个均质的物体在高速运动的过程中有可能会发生翻滚，它意味着船毁人亡。

那么，如何保证飞船在不受控的情况下依然保持大头朝下，将底部防热罩始终对准前进的方向呢？

根据万有引力定律，处于地球引力场内的物体，它的质量越大、距离地心越近，其引力势能（重力势能）就越大，它也就越趋向于朝地心方向运动。你放飞一个气球，它悬挂的重物会指向地心；不倒翁玩具也是利用了引力势能来取得平衡。

一个不倒翁的动图

拆开一个不倒翁的玩具，你就能很快发现它保持平衡的秘诀——它内部的绝大部分都是空的，并且很轻，而在它的底部固定着一个沉沉的铅块。由于这个铅块的存在，不倒翁的质心大幅度下移。当你推动它时，支点发生偏移，但由于重力势能的存在，它会在摆动一会儿之后逐渐回复垂直状态，这时候它的支点与质心轴线重叠，也就是引力势能的平衡状态。

不倒翁运用了重力势能平衡原理

还记得大唐不夜城那位扮演仙女的小姐姐么？她其实也是被绑在一个沉重的半球形底座上，由于人的体重相对于底座来说很轻，因此整体的重心下移，她无论怎么摇摆晃动都不会倒下。她们是真人版的“不倒翁”。

重力势能趋向平衡

我们的飞船返回舱也是如此，事实上你可以将其看作是一个上轻下重的“不倒翁”，它内部空间大部分轻的设备被安装在飞船上半部分，而那些大而且沉的东西则位于飞船圆弧形的底部。它在飞行的过程中主要受到两个力的作用——地球的引力和空气阻力，飞船就是靠它沉重的底部保持平稳飞行而不发生翻转的。

飞船的重心靠近底部以保持飞行中的平衡

重心的偏移与飞行角度

细心的你可能注意到了，上图中“猎户座”飞船的重心（质心）并不在其中轴线上，而是向侧偏移了一些。关注我国新一代载人飞船返回消息的朋友也应该留意到飞船降落后的那张照片，船体侧部烧蚀的痕迹是倾斜的。

中国新一代载人飞船表面烧蚀痕迹

为什么会这样？因为我们前边那两张飞船返回大气层的想象图都画错了，目前你在网上搜到的许多飞船返回图片也都存在类似错误。事实上，绝大多数载人飞船在设计时都有重心偏移，返回的时候它是以倾斜的姿态降落的，就像下面这张阿波罗飞船的返回图片一样。

正确的飞船返回姿态是倾斜的

飞船在进入稠密大气层之前拥有极高的初速度，我们需要在短时间内将其速度降到亚音速以便打开降落伞。速度降的不能太快，宇航员无法承受高于11G的过载，因此我们需要飞船以一个倾斜的角度下降，通过持续的空气摩擦来为返回舱减速。这个下降角度需要经过精确计算，角度大过载越大；角度过小又会出现在大气层边缘“打水漂”现象。一般情况下飞船底部中心切线与地球海平面的夹角在60°左右，这样飞船在飞行的过程中还会获得一定的空气升力。升力可以延长飞船返回时的滞空时间、拉长弹道轨迹，从而将过载控制在可承受的范围内。

飞船调整迎角以获得升力

剧烈空气摩擦产生高温烧蚀，烧蚀的痕迹平行于空气阻力方向，我们可以通过其在飞船侧面留下的痕迹来大致判断飞船在降落过程中的角度和姿态。

总结：

载人飞船的返回舱是一台经过精确计算和精心设计的高科技产品，它负责将宇航员安全地送回地球表面。

飞船在进入大气层之前需要启动船上的调姿发动机预先调整姿态，以建立正确的下降攻角。这时候，飞船应将它的底部朝向前方，这是一块能耐受2000℃高温灼烧的防热结构，飞船的其它部分无法长时间承受如此高的温度。

飞船返回姿态计算是复杂的过程

科学家通过将飞船的大部分重量设置在靠近底部来降低其重心，引力势能使飞船在下降的过程中像一个“不倒翁”那样自行保持动态平衡；与此同时，由于飞船的质心不在中轴线上，它在下降的过程中会与气流保持一定的夹角，这使得飞船拥有额外的升力，能延长飞船的滞空时间，从而很好地控制过载，确保宇航员的生命安全。

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