只有一次降落机会!着陆全靠滑翔的航天飞机,如何安全返回地面?

挖个脑洞子 2023-11-02 12:33:03

每架航天飞机的轨道飞行器可重复使用一百次,但在降落时,却不能像飞机一样有着复飞的机会。

那么宇航员该如何把握仅有的机会,让完全没有动力、全靠滑翔的航天飞机,从百公里外的太空,安全实现着陆呢?

为什么仅有一次降落机会

美国航天飞机作为一种垂直起飞、水平降落的载人航天器,主要由轨道飞行器、固体火箭助推器和外燃料箱三大部分组成,它既可进行像太空抛物这样的科学实验,也可以进行卫星的维护和更换,具有很高的灵活性。

航天飞机在升空时主要通过固体火箭助推器和外燃料箱提供的推力进入太空,以铝为主要燃料的固体火箭助推器安装在装有液氧和液氢的外燃料箱两侧,和主发动机同时启动。

在航天飞机升空前两分钟,每台携带约45万公斤推进剂的固体火箭助推器将会产生15682千牛的推力,帮助450万磅的航天飞机摆脱地球引力,在航天飞机飞到45公里的高空时,助推器内部燃料已用尽,将会和航天飞机分离,依靠降落伞下落。

由于助推器喷管内部处于中空状态,使得助推器在落进大西洋时可以漂浮,前端会露出水面9米,相关研究人员将通过助推器的定位将其打捞上来,对其进行检查、维修以供下次使用。

而主发动机则继续运行,在升空大约8.5分钟后,航天飞机将上升到地球以上大约113公里的上空,达到接近轨道速度,此时外燃料箱的液体推进剂将会耗尽,其构造的大部分将在大气阻力和空气动力加热下烧毁,产生的残骸将会落进大洋里。

因此在航天飞机飞往外太空的过程中,燃料已经消耗完毕,这使得航天飞机在返回地面时没有动力,只能依靠惯性和重力进行滑翔从而实现平稳降落,所以在航天飞机穿过大气层返回地面时,只有一次降落机会,宇航员必须确定好降落路线,到达指定地点。

如何安全着陆

那宇航员该如何把握好这唯一一次机会,实现安全着陆呢?首先,从近地轨道的高度开始进入地球大气层时,由于航天飞机刚开始进入大气层时,速度可以达到每小时2.9万公里,所以航天飞机需要以机头呈40度上仰。

一是为了尽可能减速,二是这样也有利于使用机腹覆盖的隔热陶瓷抵抗和大气产生的高温摩擦,使航天飞机不因高温被烧毁,如果角度太小,航天飞机将会被弹回太空;如果角度过大,飞机和空气的摩擦面将会增大,会导致飞机过热,有被烧毁的可能。

其次,在进入大气层后,航天飞机要在高空连续做4次S型转动,这一过程会受到来自空气摩擦引起的阻力,帮助飞机进一步完成减速,使飞机速度逐渐从每小时2.9万公里降低到每小时1.2万公里,再进一步降低到每小时4000公里左右。

在这样的操作之下,飞机在着陆前的8分钟速度将会降到每小时518公里,此时宇航员开始控制飞机,通过飞行员的瞄准和自动控制系统的辅助,把飞机调整到正确的角度和航线。

最后,在着陆前33秒、离地面610米时,驾驶员开始拉起飞机的机头,靠空气阻力降低它的速度,之后放下着陆装置,后轮开始接触跑道路面,同时尾部也会射出一个降落伞,通过增大横截面积从而增大空气阻力,进一步帮助飞机减速,随后航天飞机前轮着陆,在地面滑行一段距离后就能顺利停下。

降落失败会怎样

既然成功着陆要经历这么多过程,如果其中有一过程失败,航天员将会面临怎样的危险呢?我们从2003年的“哥伦比亚”号航天飞机失事便可得知。

“哥伦比亚”号航天飞机当时由于外部燃料箱表面一块0.75公斤的泡沫材料脱落,高速撞击到航天飞机左翼前缘的增强碳-碳隔热板的材料,导致左翼前缘形成裂隙。

所以当航天飞机返回大气层时,飞机和大气层摩擦产生的1400度的超高温气体从左机翼裂隙处进入“哥伦比亚”号机体,不仅融化了内部结构,还致使机翼和机体融化,最终7名宇航员全部遇难。

在飞机失事后一年,由于成本高、周转时间长以及飞船存在严重的安全问题,美国总统布什发表演讲,宣布航天飞机在2010年停飞。2010年9月,美国航天飞机进行了最后一次飞行,至此美国的“航天飞机时代”正式结束。

参考文献:

美国航天飞机——科普中国

解读航天飞机——中国科学技术馆

航天飞机返回地球时,到底有多危险?为何说只有一次降落机会?——驶伐观世界

神舟十三号成功着陆,首次运用“快速返回技术”,有多厉害?——军武位次面

载人飞船返回大气层时,被熊熊烈火包围,那它是怎样防热的?——网易

为什么NASA要让航天飞机退役?——新浪科技

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