从一天缩短到几小时！神舟十三号成功返回地面，首次运用“快速返回技术”有多厉害？
4月16日上午10时，神舟十三号载人飞船乘组在圆满完成为期183天的空间站飞行任务后，在内蒙古四子王旗东风着陆场成功着陆，航天员翟志刚、叶光富、王亚平成功返回地面。
这是“神舟”系列飞船的第13次飞行，是中国实施的第8次载人航天飞行任务、第二次空间站飞行任务，创下了中国载人航天、空间站任务飞行时间最长、任务项目最多的纪录。
飞船返回技术的发展
此次神舟十三号返回，有一个名词一直在被提起：“快速返回技术”，所谓的“快速返回技术”，指的是神舟十三号飞船和空间站组合体分离后，将原本需要约20个小时才能完成的制动离轨段，缩减到短短4到5个小时完成，从而确保航天员能够快速返回地面。
看起来无非是“20个小时”到“5个小时”的差别，但事实上“快速返回技术”和“快速对接技术”一样，都属于返回/对接技术的“进阶”。那么，“快速返回技术”到底是怎样做到的、人类历史上的载人航天器，都是如何返回地面的呢？
在大伊万的印象里，人类载人航天史上，先后出现了三代返回技术，分别是第一代的“飞船再入、弹射座椅返回技术”，第二代的“飞船再入、降落伞减速返回技术”、第三代的“轨道器再入、直接降落在机场返回技术”。
先说第一代返回技术，此代返回技术以苏联“东方”系列载人飞船为典型代表，主要技术特征和技术步骤是：飞船输入导航参数，载人舱段和服务舱段分离，尔后建立再入姿态，进入高层大气，利用大气层实施气动减速，待到达低层大气后，航天员启动弹射座椅弹射出舱，用降落伞降落到地面，飞船不继续减速，而是撞地坠毁。
这种航天员返回技术相对简单，比较适合苏联第一代载人飞船体积狭小、难以安排布置大型减速主伞的客观情况，人类历史上第一名航天员尤里加加林，就是采用这样的方式返回地面的。但是，这种靠弹射座椅弹射、使用降落伞落地的方式，可靠性和安全性非常差，对飞行员的生理和心理都是相当大的挑战。因此，很快就被全面淘汰了，只在美国的第二代载人飞船“双子星”飞船上，作为备用的逃逸设备被保留了下来，但也从来没有真正运用过。
而第二代返回技术，也即“飞船再入，降落伞减速返回技术”，分别被美苏两国运用在了自己的“水星”系列载人飞船（1962年2月实施首次地球轨道飞行）、“上升”系列飞船（1964年10月实施首次三人航天器飞行）上。所谓的“降落伞减速返回”，顾名思义，飞船实施制动离轨、多次调姿、推进舱和返回舱分离、建立再入姿态、穿过高层大气，进入低层大气后，航天员和飞船不分离，飞船上安装大型减速伞，打开减速伞后，将飞船的下降速度降低到合适的区间，并完成着陆。
目前，中国的“神舟”系列飞船，俄罗斯的“联盟-TM”系列飞船，美国的“载人龙”和已经退役的“阿波罗”系列飞船，均采用了这一着陆方式。当然在具体的着陆参数设置和部分设计细节上，以上飞船还是有相当大的不同的：
以美国而言，NASA设计的载人飞船偏好海上溅落，海上溅落的优势是海水缓冲相对较好，可以相应提高飞船的再入速度，如载人登月飞船再入时，就必须选择在海上溅落；
同时，海上溅落对飞船返回参数的选择比较宽泛，可以选择相对较大的着陆区，甚至不用担心飞船落偏方向，在海上溅落时，飞船也不需要设计反推火箭等；
但是，海上溅落的劣势是飞船抗浪性较差、遭遇大风大浪容易发生沉没事故、给航天员生命安全造成威胁，如美国在“水星”计划中，就出现过飞船溅落时莫名其妙地弹开了舱门、沉入大海最终没有被打捞起来的问题，让航天员加斯格里森差点丢了小命。
而中、苏（俄）的载人飞船偏好陆地着陆，陆地着陆的优势是安全性相对较好，不用担心飞船进水沉没的问题，也不用担心海上搜救的问题。比较适合中、苏（俄）等国海军力量薄弱，对海域（对苏联来说是温暖水域）控制权不足，但陆地面积相对广大，部分地区地广人稀的现状（同时以海上着陆作为备用的返回方式）。
当然，陆地返回对再入速度的要求比较高，这就要求飞船必须实施有效的制动减速，增设反推火箭，尽最大可能降低着陆速度等。总的来说，“陆地着陆”和“海上着陆”无太大的区别，也没有孰优孰劣之分，只能说中、苏（俄）、美三国都选择了适合自己的飞船回收方式。
“机场着陆”返回技术
尽管“飞船再入，降落伞减速返回”的技术，到“阿波罗”飞船和“联盟”系列飞船阶段已经完全成熟，但美苏两国在冷战的大背景下，依然没有放弃研发新一代载人航天器的着陆技术。这就是美国、苏联航天飞机轨道器采用的“机场着陆”返回技术：
以美国的航天飞机轨道器为例，在返回地面之前，经历建立再入姿态后，需要在自动驾驶设备的协助下，在高空实施一个巨大的S型转弯，这一S型转弯将帮助飞机完成减速，从24马赫降低到10马赫，再进一步降速到3.5马赫左右。
航天飞机再入过程的地面航迹示意图
此时航天飞机轨道器的飞行高度大约为30千米，并脱离黑障区域，建立和地面的通联，由正常的机场进近引导轨道器再实施一个S型转弯，完成转弯后，航天飞机轨道器将减速到亚音速，高度降低到2000米以下，最终使用正常的ILS着陆系统，在机场跑道上着陆。
降落美国加利福尼亚爱德华空军基地的航迹示意图
但相比波音737系列客机约135节的着陆速度，航天飞机轨道器的着陆速度一般高达200节以上，对着陆系统和跑道的要求要远远高于普通的大型客机。
“暴风雪”号航天飞机
此外，值得一提的是，相比美国的航天飞机轨道器采用无动力滑翔着陆的方式，苏联的“暴风雪”航天飞机轨道器，特地安装了两部RD-33型发动机，在测试状态下可以让它在大气层中实施机动飞行，该型航天飞机轨道器也第一次初步具备了“空天飞机”的雏形。
但是，由于航天飞机系统的制造、使用、维护价格实在太高，高到远远超过了美苏两国的承受能力。同时，作为一个复杂系统，航天飞机的成熟度始终赶不上更加可靠的载人飞船，苏联解体后，“暴风雪”号航天飞机以极快的速度被丢进了垃圾场，而NASA在惨淡经营了许久后，也终于在先后坠毁两架的情况下，选择了放弃航天飞机轨道器，第三代载人航天返回技术变成了昙花一现。
“快速返回技术”
因此，目前最为先进的载人飞船返回技术，就是基于第二代“飞船再入、降落伞减速着陆”技术改进的“快速返回技术”。所谓的“快速返回技术”，主要“快速”在飞船的制动离轨阶段，原有的飞船制动离轨阶段，需要实施两到三次变轨调姿、一次变轨减速，才能进入惯性滑行段。
按原有的返回程序，三次变轨调姿、一次变轨减速需要约15圈飞行、20个小时才能完成，从空间站撤离、到返回地面，大约需要1天时间，在这期间，由于飞船已进入返回阶段，故而航天员必须被固定在座椅上，无法移动，甚至也难以进食，对航天员的生理有比较大的影响。
而在实施快速返回程序后，变轨调姿、变轨减速可以在4圈、6个小时左右就基本完成，从航天员撤离空间站，到返回地面，可以在不到10个小时内完成。比如此次神舟十三号飞行任务，凌晨0点44分飞船与空间站组合体分离，上午10时许飞船就已经着陆，前后花了9小时多一点的时间，这背后对飞船程控、地面遥测能力的提升，是显而易见的。
尽管咱们的神舟系列飞船，已经实现了空间站快速对接、飞船快速返回，可以说是做到了当前载人飞船返回的最高水准。但是，未来如果我们要遂行载人登月任务，新的921载人飞船大概率要使用新的海上着陆技术，这对我们的载人航天返回技术提出了更高的挑战。
同时，长远来看，以航天飞机轨道器为代表的火箭发射、水平着陆返回技术，应当是未来航天飞行器返回技术的大趋势，在这方面，咱们也已经有了许多有益的探索。也许在不久的将来，我们将首先完成第三代载人航天返回技术的实用化，就让我们继续关注中国载人航天的发展吧。
这是“神舟”系列飞船的第13次飞行，是中国实施的第8次载人航天飞行任务、第二次空间站飞行任务，创下了中国载人航天、空间站任务飞行时间最长、任务项目最多的纪录。
飞船返回技术的发展
此次神舟十三号返回，有一个名词一直在被提起：“快速返回技术”，所谓的“快速返回技术”，指的是神舟十三号飞船和空间站组合体分离后，将原本需要约20个小时才能完成的制动离轨段，缩减到短短4到5个小时完成，从而确保航天员能够快速返回地面。
看起来无非是“20个小时”到“5个小时”的差别，但事实上“快速返回技术”和“快速对接技术”一样，都属于返回/对接技术的“进阶”。那么，“快速返回技术”到底是怎样做到的、人类历史上的载人航天器，都是如何返回地面的呢？
在大伊万的印象里，人类载人航天史上，先后出现了三代返回技术，分别是第一代的“飞船再入、弹射座椅返回技术”，第二代的“飞船再入、降落伞减速返回技术”、第三代的“轨道器再入、直接降落在机场返回技术”。
先说第一代返回技术，此代返回技术以苏联“东方”系列载人飞船为典型代表，主要技术特征和技术步骤是：飞船输入导航参数，载人舱段和服务舱段分离，尔后建立再入姿态，进入高层大气，利用大气层实施气动减速，待到达低层大气后，航天员启动弹射座椅弹射出舱，用降落伞降落到地面，飞船不继续减速，而是撞地坠毁。
这种航天员返回技术相对简单，比较适合苏联第一代载人飞船体积狭小、难以安排布置大型减速主伞的客观情况，人类历史上第一名航天员尤里加加林，就是采用这样的方式返回地面的。但是，这种靠弹射座椅弹射、使用降落伞落地的方式，可靠性和安全性非常差，对飞行员的生理和心理都是相当大的挑战。因此，很快就被全面淘汰了，只在美国的第二代载人飞船“双子星”飞船上，作为备用的逃逸设备被保留了下来，但也从来没有真正运用过。
而第二代返回技术，也即“飞船再入，降落伞减速返回技术”，分别被美苏两国运用在了自己的“水星”系列载人飞船（1962年2月实施首次地球轨道飞行）、“上升”系列飞船（1964年10月实施首次三人航天器飞行）上。所谓的“降落伞减速返回”，顾名思义，飞船实施制动离轨、多次调姿、推进舱和返回舱分离、建立再入姿态、穿过高层大气，进入低层大气后，航天员和飞船不分离，飞船上安装大型减速伞，打开减速伞后，将飞船的下降速度降低到合适的区间，并完成着陆。
目前，中国的“神舟”系列飞船，俄罗斯的“联盟-TM”系列飞船，美国的“载人龙”和已经退役的“阿波罗”系列飞船，均采用了这一着陆方式。当然在具体的着陆参数设置和部分设计细节上，以上飞船还是有相当大的不同的：
以美国而言，NASA设计的载人飞船偏好海上溅落，海上溅落的优势是海水缓冲相对较好，可以相应提高飞船的再入速度，如载人登月飞船再入时，就必须选择在海上溅落；
同时，海上溅落对飞船返回参数的选择比较宽泛，可以选择相对较大的着陆区，甚至不用担心飞船落偏方向，在海上溅落时，飞船也不需要设计反推火箭等；
但是，海上溅落的劣势是飞船抗浪性较差、遭遇大风大浪容易发生沉没事故、给航天员生命安全造成威胁，如美国在“水星”计划中，就出现过飞船溅落时莫名其妙地弹开了舱门、沉入大海最终没有被打捞起来的问题，让航天员加斯格里森差点丢了小命。
而中、苏（俄）的载人飞船偏好陆地着陆，陆地着陆的优势是安全性相对较好，不用担心飞船进水沉没的问题，也不用担心海上搜救的问题。比较适合中、苏（俄）等国海军力量薄弱，对海域（对苏联来说是温暖水域）控制权不足，但陆地面积相对广大，部分地区地广人稀的现状（同时以海上着陆作为备用的返回方式）。
当然，陆地返回对再入速度的要求比较高，这就要求飞船必须实施有效的制动减速，增设反推火箭，尽最大可能降低着陆速度等。总的来说，“陆地着陆”和“海上着陆”无太大的区别，也没有孰优孰劣之分，只能说中、苏（俄）、美三国都选择了适合自己的飞船回收方式。
“机场着陆”返回技术
尽管“飞船再入，降落伞减速返回”的技术，到“阿波罗”飞船和“联盟”系列飞船阶段已经完全成熟，但美苏两国在冷战的大背景下，依然没有放弃研发新一代载人航天器的着陆技术。这就是美国、苏联航天飞机轨道器采用的“机场着陆”返回技术：
以美国的航天飞机轨道器为例，在返回地面之前，经历建立再入姿态后，需要在自动驾驶设备的协助下，在高空实施一个巨大的S型转弯，这一S型转弯将帮助飞机完成减速，从24马赫降低到10马赫，再进一步降速到3.5马赫左右。
航天飞机再入过程的地面航迹示意图
此时航天飞机轨道器的飞行高度大约为30千米，并脱离黑障区域，建立和地面的通联，由正常的机场进近引导轨道器再实施一个S型转弯，完成转弯后，航天飞机轨道器将减速到亚音速，高度降低到2000米以下，最终使用正常的ILS着陆系统，在机场跑道上着陆。
降落美国加利福尼亚爱德华空军基地的航迹示意图
但相比波音737系列客机约135节的着陆速度，航天飞机轨道器的着陆速度一般高达200节以上，对着陆系统和跑道的要求要远远高于普通的大型客机。
“暴风雪”号航天飞机
此外，值得一提的是，相比美国的航天飞机轨道器采用无动力滑翔着陆的方式，苏联的“暴风雪”航天飞机轨道器，特地安装了两部RD-33型发动机，在测试状态下可以让它在大气层中实施机动飞行，该型航天飞机轨道器也第一次初步具备了“空天飞机”的雏形。
但是，由于航天飞机系统的制造、使用、维护价格实在太高，高到远远超过了美苏两国的承受能力。同时，作为一个复杂系统，航天飞机的成熟度始终赶不上更加可靠的载人飞船，苏联解体后，“暴风雪”号航天飞机以极快的速度被丢进了垃圾场，而NASA在惨淡经营了许久后，也终于在先后坠毁两架的情况下，选择了放弃航天飞机轨道器，第三代载人航天返回技术变成了昙花一现。
“快速返回技术”
因此，目前最为先进的载人飞船返回技术，就是基于第二代“飞船再入、降落伞减速着陆”技术改进的“快速返回技术”。所谓的“快速返回技术”，主要“快速”在飞船的制动离轨阶段，原有的飞船制动离轨阶段，需要实施两到三次变轨调姿、一次变轨减速，才能进入惯性滑行段。
按原有的返回程序，三次变轨调姿、一次变轨减速需要约15圈飞行、20个小时才能完成，从空间站撤离、到返回地面，大约需要1天时间，在这期间，由于飞船已进入返回阶段，故而航天员必须被固定在座椅上，无法移动，甚至也难以进食，对航天员的生理有比较大的影响。
而在实施快速返回程序后，变轨调姿、变轨减速可以在4圈、6个小时左右就基本完成，从航天员撤离空间站，到返回地面，可以在不到10个小时内完成。比如此次神舟十三号飞行任务，凌晨0点44分飞船与空间站组合体分离，上午10时许飞船就已经着陆，前后花了9小时多一点的时间，这背后对飞船程控、地面遥测能力的提升，是显而易见的。
尽管咱们的神舟系列飞船，已经实现了空间站快速对接、飞船快速返回，可以说是做到了当前载人飞船返回的最高水准。但是，未来如果我们要遂行载人登月任务，新的921载人飞船大概率要使用新的海上着陆技术，这对我们的载人航天返回技术提出了更高的挑战。
同时，长远来看，以航天飞机轨道器为代表的火箭发射、水平着陆返回技术，应当是未来航天飞行器返回技术的大趋势，在这方面，咱们也已经有了许多有益的探索。也许在不久的将来，我们将首先完成第三代载人航天返回技术的实用化，就让我们继续关注中国载人航天的发展吧。
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