“神舟”載人飛船是如何返回地面的？
北京時間2024年11月4日1時24分，神舟十八號載人飛船返回艙在東風着陸場成功着陸。三位航天員身體狀態良好，神舟十八號載人飛行任務取得圓滿成功。
至此，“80後”乘組太空之旅圓滿結束，航天員葉光富刷新中國航天員在軌駐留時間的紀錄，成爲我國首位累計飛行時長超過一年的航天員，累計飛行374天13小時59分鐘。在2024年5月28日，航天員葉光富出艙時長達到8小時23分鐘，創中國航天員單次出艙時長新紀錄。
此次神舟十八號飛船返回地球依舊採用快速返回的技術。即環繞地球5圈（大約7.5小時）後，經過四個階段，大約歷時50分鐘着陸到地面。
從神舟十三號起，“神舟”載人飛船一直採用這種返回方案。載人飛船返回由載人飛船系統、航天員系統、測控通信系統和着陸場系統等多個系統共同完成，技術較爲複雜。
“神舟”載人飛船在返回過程需要經歷哪些考驗？飛船在夜間返回搜索救援要採取什麼措施？航天員着陸出艙前後要經過哪些處置過程？下面將詳細解答。
01
制動減速階段
第一階段是制動減速階段。要使飛船返回地面，必須降低飛船的飛行速度，改變飛行方向，使其脫離原來的飛行軌道，進入下降飛行的軌道。
具體過程是，“神舟”飛船在太空中運行最後一圈時，地面向飛船發出指令，使飛船調整姿態，相對前進方向向左偏航（逆時針轉）90°，變成橫向飛行狀態，這是第一次調整姿態；緊接着，飛船的軌道艙與返回艙以1～2米/秒的相對速度成功分離。
北京時間2024年11月3日16時12分，神舟十八號載人飛船與空間站組合體成功分離。11月4日0時34分，北京航天飛行控制中心通過地面測控站發出返回指令，神舟十八號載人飛船軌道艙與返回艙成功分離。
軌道艙與返回艙分離後，返回艙與推進艙組合體再向逆時針方向轉90°，使推進艙朝前，這是第二次調整姿態；此時飛船推進艙上的發動機點火工作，使組合體降低速度；在完成持續約180秒的制動後，組合體順利進入返回軌道。
第一次調姿
軌道艙與返回艙分離
第二次調姿
太空剎車
02
自由滑行階段
第二階段是自由滑行階段。進入返回軌道後，返回艙與推進艙組合體以無動力飛行狀態自由下降。當返回艙與推進艙組合體高度降至距離地面145千米時，推進艙和返回艙分離，推進艙在大氣層中燒燬，返回艙繼續下降，並消除由於兩艙分離時產生的返回艙姿態分離干擾，建立正確的再入姿態角（速度方向與當地水平面的夾角），準備再入大氣層。
這個角度必須精確地控制在一定的範圍內，一般爲1.5°～1.7°，如果返回艙再入姿態角太大，它在再入大氣層時會因速度太快，而使最大過載超標，航天員身體承受不了，返回艙甚至會像流星一樣在大氣層中燒燬；如果再入姿態角太小，返回艙會從大氣層邊緣擦過，無法返回。
在推進艙和返回艙分離以後，返回艙會利用自身裝配的發動機進行姿態調整，變成大底朝前的飛行狀態。這樣一來，返回艙在穿越大氣層時產生一定的升力，因而能夠對飛行軌跡進行一定控制，從而保證落點準確度較高，對航天員的過載衝擊也比較小。
返回艙調整姿態示意圖
返回軌道與再入角示意圖
返回艙與推進艙分離示意圖
03
再入大氣層階段
第三階段是再入大氣層階段。“神舟”飛船的返回艙在距離地面100千米時開始再入大氣層。在距離地面80千米時，返回艙進入“黑障”區，使返回艙暫時與地面失去聯繫，直到在距離地球約40千米處時出“黑障”區，返回艙與地面的聯繫又恢復了。
進入黑障區時，返回艙隔熱大底外表面與大氣層會發生劇烈的摩擦，溫度可達上千度。對於黑障區的經歷，神舟十六號任務航天員朱楊柱在央視的直播節目中幽默地形容“一路火花帶閃電，彷彿坐在太上老君的煉丹爐裡”，但返回艙內溫度變化不大。
神舟十九號返回艙再入大氣層（央視畫面）
在再入大氣層的過程中，從再入大氣層到距離地球20千米高度期間，返回艙通過對返回艙側傾角的調整變化（配平迎角約爲20°）來實現返回升力控制，使返回艙的過載不大於4g，而且可以比較精確地返回到着陸場。飛行高度約爲20千米時，返回艙升力控制結束。
返回艙再入大氣層示意圖
基於動態適應和天基測控，目前我國返回艙在返回過程中以升力式作爲返回手段，以預測制導作爲控制方案，這樣可以對運動姿態進行自主調整，特別是在以往返回任務中最驚心動魄的穿越大氣層“黑障”階段，返回艙的安全性和可控性能得到大幅提升。
採用預測制導的自適應控制方案，可使返回艙返回在“黑障”過程中辨識空間環境對它的影響，實時制定出新的升力控制的策略。通過預測制導的方案，一是可以保證人員着陸的精度，二是能保證整個過程的安全性。
04
回收着陸階段
第四階段是回收着陸階段。在返回艙距地面10千米左右時，返回艙上的靜壓高度控制器通過測量大氣壓力自動判定所處高度啓動回收着陸系統開始工作。
返回艙先打開傘艙蓋，然後依次拉開引導傘、減速傘和主降落傘。其中減速傘把返回艙的速度從200米/秒減至60～70米/秒；在返回艙距離地球8千米時，打開主降落傘，把返回艙的速度由60～70米/秒減至5～6米/秒。
另外，返回艙降到距地面約6千米時，主降落傘與返回艙的連接由單點傾斜吊掛轉換成兩點垂直吊掛，以便返回艙着陸時緩衝裝置能夠更好地發揮緩衝作用；返回艙降到距地面約6千米時拋掉了返回艙的防熱大底，以便露出返回艙底部的反推發動機。
在距地面1米左右時，返回艙底部的4臺反推發動機點火，使返回艙以大約3米/秒的速度軟着陸，同時通過返回艙底部吸能外殼、減振材料和座椅緩衝機構組成的減振系統來吸收能量，保證航天員安全落地。
回收着陸分系統正常工作程序
神舟十八號飛船返回艙夜間着陸
神舟十八號返回艙反推發動機點火（央視畫面）
由於飛船返回艙在返回過程中處於高速運動的狀態，一旦中途出現故障，外界無法採取營救措施，也不可能將程序暫停或恢復到原位重新開始。因此，回收着陸系統的工作過程只能是由一系列不可逆按時序執行的動作組成。
爲保證航天員的生命安全，提高回收着陸系統工作的可靠性和安全性，設計師們想到了一切可能發生的緊急情況，爲回收着陸系統設置了9種故障模式，涉及正常返回、中空救生、低空救生3種基本返回工作程序，採取了備份降落傘裝置、時間控制器、三組高度開關等多種備份措施，以全面保證返回艙在火箭發射段、上升段、正常返回和應急返回段的安全返回與着陸。
05
搜尋手段多多
在返回艙着陸過程之中和着陸之後，地面搜救工作舉足輕重。目前，我國一般採用“空中搜救航天員，地面處置返回艙”的模式，這樣可以實現“快速定位、快速到達、安全出艙”。因此，着陸場搜救通常包括空中搜索和地面搜索救援回收兩個部分。
參加任務的有5架直升機：1架指揮機、1架通信機、1架醫監醫救機，還有2架醫療救護機。針對這次夜間返回的重難點，各個方面都進行了高配置。在設備上，加裝了大功率的搜索探照大燈、紅外光學吊艙，還有配備了雙目夜視儀和四目夜視儀。
在人員上，任務機組配備了雙機長、雙機械師，每一架直升機都增設了一名領航員。飛行員的人均飛行小時都在3100小時以上，有着非常豐富的飛行經驗和任務經歷。
神舟十八號搜救回收空中分隊起飛（央視畫面）
爲保證地面搜救系統及時、準確搜索到返回地面的返回艙，保證整個任務的成功和航天員的生命安全，除佈設一定數量的雷達，跟蹤測量返回艙軌道並預報落點位置外，在飛船返回艙着陸後，其上的國際救援示自主標位系統立刻開始工作，指示自己所在位置，以使搜索救援系統及時發現目標。
標位裝置包括無線電信標機、閃光標位器等，用於返回艙着陸後發出位置信息，標明返回艙着陸點所處方位。
另外，在返回艙着陸後，航天員可用多種手段迅速獲取其位置信息，例如，用搜救衛星系統接收返回艙信標發出的信號；航天員讀取儀表板上的位置數據，通過衛星電話告知北京航天飛行控制中心；北京航天飛行控制中心通過測控網信息給出的返回艙落點，預報主着陸場直升機和固定翼飛機能用定向儀接收到的返回艙信標信號。
爲方便夜間尋找返回艙，飛船返回艙的“肩部”位置還裝有閃光燈，直升機據此能在夜間發現返回艙。如果發生意外，返回艙落在茫茫大海里，返回艙底部裝的海水染色劑會緩慢釋放，將附近水面染成亮綠色，持續時間可達4小時，爲飛機和救撈船提供引導。
航天員和座椅，其中的座椅緩衝器和賦形墊子也用於緩衝
早期的“神舟”飛船返回艙表面測控與通信分系統部分部件
06
需要醫監醫保
當搜救隊來到返回艙邊後，就可以開展相關處置工作。一般先由返回艙處置工程師先檢查返回艙，包括反推發動機推進劑是否有殘留，用特製的γ射線源防護蓋屏蔽返回艙底部的γ高度計的γ源，防止輻射對救援人員帶來危害。
神舟十八號返回艙門打開（央視畫面）
接着，打開返回艙艙門，醫監醫保人員進入返回艙，對航天員健康狀況進行初步的醫學檢查和確認，在返回艙內協助航天員初步對地面重力進行再適應，包括肢體運動、逐步站立適應、補充飲用水和營養液。
由於航天員在軌飛行了6個月，工作量大，比較疲勞，立位耐力下降較多，所以航天員着陸後需在艙內用較長時間來適應地面重力環境。
適應之後，航天員在工作人員協助下出艙，並且出艙後所有活動全部採取坐位，以確保航天員安全。這是因爲航天員長期在失重環境中生活和工作後，會出現骨質疏鬆、肌肉萎縮和立位耐力差等問題，如果自己站立行走容易摔倒甚至骨折。返回地面初期，現場人員應避免與航天員用力擁抱。
2024年11月4日02:15神舟十八號航天員葉光富、李聰、李廣蘇全部順利出艙。航天員出艙後，返回艙處置人員還需要對返回艙再次進行安全處理，首先關閉返回艙電源，取出火工品備用單元，然後卸下高度計的γ源後存儲於專用保護容器內等。
葉光富地面出艙
李聰地面出艙
李廣蘇地面出艙
醫監醫保車
在着陸場執行醫監醫保任務的航天員醫生
此後，在醫監醫保直升機或醫監醫保車內，醫監醫保人員協助航天員脫下航天服，進行衛生清潔，更換內衣；對航天員進行體檢，採集樣本，收集生理數據；評價航天員的健康狀況，給予必要的醫監醫保處置；送航天員登機並全程陪護。
07
逐漸恢復身體
2024年11月4日，神舟十八號航天員乘組平安抵京。回到北京後，航天員要進行身體恢復，一般分爲醫學隔離期、醫學療養期和恢復療養期三個階段。
醫學隔離期約爲3～4星期，主要爲消除飛行中對身體功能產生的不利影響，促進基本功能恢復。航天員在航天員公寓內適應地球重力環境，提高心血管系統和支持運動器官功能，提高立位耐力，消除飛行後疲勞。
在隔離期內，航天員醫生要對航天員實施醫學檢查，包括臨牀各科常規檢查、立位耐力檢查、平衡功能檢查、人體成分分析、心血管調節與控制功能、人體功能狀態檢測等。
重要檢查項目要進行動態跟蹤，實行檢查與體質訓練、恢復相結合，按照循序漸進的原則逐漸增大負荷。可以適當爲航天員安排一些平衡訓練、步行訓練、醫療體操游泳和手法放鬆等。
航天員醫生正在進行航天員飛行後的身體恢復工作
根據臨牀醫學檢查、生理功能檢查結果，航天員醫生要對航天員健康狀況進行綜合分析和評估，以指導後續的恢復措施。在這期間，航天員與外界基本隔絕。
醫學療養期大約爲4～5星期，以確保身心全面恢復。航天員將入住天氣好、空氣好的療養院，在繼續恢復健康的同時逐漸增加活動量。可安排航天員康復療養，以進一步增強航天員體質，加強生理機能儲備，提高防病抗病的能力。在療養院可安排景觀治療、體能鍛鍊等恢復措施。
恢復療養期約爲4個月，主要爲恢復觀察階段。在這期間，要將航天員各項生理參數恢復到飛行前的狀態。4個月後如果航天員身體情況良好，就可參加正常的航天員訓練了。
“神舟”載人飛船的返回過程是一個集高科技、複雜操作與精細保障於一體的系統工程，從制動減速到自由滑行，再到再入大氣層和回收着陸，每一步都凝聚着科研人員的心血與智慧。航天員的安全返回，不僅標誌着飛行任務的圓滿成功，更是我國航天技術不斷進步的生動體現。
展望未來，隨着技術的不斷革新與完善，我國載人航天事業必將迎來更加輝煌的成就，爲人類探索宇宙的奧秘貢獻更多中國力量。
來源：蝌蚪五線譜
編輯：yhc
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