不到400公里，坐高铁1小时到，神舟十三号返回为何要8小时？

天宫空间站大多在距离地面约390公里的高度飞行，一方面这里非常接近真空环境，方便开展各种空间科学实验；这个高度又处在地球磁场保护范围之内，能最大限度地减少宇宙射线对航天员的伤害；另一个重要因素就是可以用最小的成本运送物资，用更少的时间进行更快速的天地间往返。

国际空间站距离地面仅400公里
说到快，空间站绕地球飞行的速度为7.68公里/秒，换算每小时达到27648公里，比“复兴号”高铁列车快78倍！载人飞船与空间站一起飞行，它的速度与空间站相同，但是航天员要想从390公里高的空间站返回地面却常常要花上一天多时间。
美国“龙”飞船执行的两次空间站返回任务中，“龙-1”花了30小时21分钟，“龙-2”耗时19小时13分钟。中国神舟十二号2021年9月从脱离天宫空间站到返回地面总共花了约28小时（当然在此期间我们还做了其它验证实验），神舟十三号验证“快速返回”技术也需要约8.3小时！有朋友问：总共不到400公里距离，坐高铁1个多小时就到了，为什么飞船快速返回还要这么久，神舟飞船还能更快些吗？

神舟十二号安全返回东风着陆场
神舟十三号飞船在脱离天宫空间站之后，需要绕着地球飞行差不多5圈才会返回到地面，总共飞行距离约20万公里。以后的神舟飞船当然还可以更快，但并不能像许多朋友想象的那样：从空间站分离之后“嗖”地一下就飞回地面。
目前执行载人天地往返任务最多的飞船就是俄罗斯的“联盟号”载人飞船，保持从空间站最快返回纪录的也是“联盟号”，它能在脱离国际空间站之后，用大约3.5小时时间返回地面，差不多绕地球飞两圈。

停泊在国际空间站的俄罗斯飞船
我们来看看“联盟号”飞船在离开国际空间站之后都做了些什么：
在大约预定着陆时间前3.5小时，飞船打开与空间站的对接机构，对接端口中的弹簧推动器将飞船以0.12米/秒的相对速度推离空间站，返回舱里的宇航员通过摄像头密切监视飞船姿态，确保飞船稳定脱离，不与空间站发生磕碰。
3分钟后，飞船离开空间站20~30米，“联盟号”开启DPO-B姿态控制发动机进行8秒钟的喷气，以0.4~0.5米/秒的速度进一步离开空间站；1分钟后再次开启DPO-B进行15秒的轨道机动，保证飞船在绕地球一周后不会与空间站会合。

联盟飞船返回过程
利用之后两个半小时的“单飞”时间，宇航员和地面控制中心会再次检查飞船各系统状态和飞行参数，对轨道进行微调，将推进舱喷口朝向前方，以确保飞船能按照计算结果降落到预选区域。一旦飞船开始点火制动，就没有回头的可能。
倒数53分29秒，推进舱发动机点火，飞船开始减速制动，这时候距离预定着陆场还有半圈，飞船开始下降高度。
与大多数人想象的不同，飞船制动发动机点火时长仅4分40秒，飞船的速度只变慢了0.12公里/秒，宇航员几乎不会感觉到飞船正在减速。但即便是这么小的速度变化，重力作用也会使飞船在22分钟内下落270公里。虽然水平方向的速度减慢，但垂直方向的自由落体会使飞船加速向下“俯冲”，飞船的合速度达到7.6公里/秒。

进入大气层前返回舱与推进舱分离
在大约100公里高度，飞船返回舱开始进入稠密的大气层，这时候飞船处于无动力下降阶段。但是这不代表飞船不受控制——由于科学家的精妙设计，飞船会自动将它最耐热的底部朝向前方飞行。
细心的你肯定注意到：中国、俄罗斯和美国的飞船全做成一头大小，并且无一例外都是大头朝前飞行，与火箭的尖头朝前是相反的。这是为什么呢？
飞船从大气层外返回，它主要靠空气的阻力而不是消耗燃料来为自己减速，大头朝前能够提供更大的空气阻力，好将飞船从7.6公里/秒的高速度降到0.2公里/秒，之后再打开降落伞才不会发生危险。引导伞、减速伞和降落伞将在大约10公里高度依次打开。

飞船重心决定了返回时的姿态
当飞船下降到100公里高度的大气层，空气开始变得稠密起来。越来越多的气体粒子撞击飞船表面，阻碍飞船前进，这使得飞船产生了一个向后的拖曳力——也就是空气阻力。但飞船包括里边的航天员因为速度很快、动能很大，所以航天员会感觉到越来越强的过载，强大的压力使得人喘不过气来。
与此同时，空气粒子撞击飞船会产生热，飞船表面温度升高到约1480℃，没有几种金属能在如此高温度下还能保持强度。为了保证飞船不在返回过程中焚毁破碎，科学家在飞船底部加了一层又厚又坚固的隔热罩（俗称“防热大底”），隔热罩的表面覆盖着烧蚀材料，它能在高温下燃烧、蒸发、将热量带走，从而保护飞船不被烧化。
与“联盟号”返回过程相同，当神舟飞船返回时，我们能看到天空出现一颗闪亮的“流星”，但你不需要为航天员担心，因为燃烧的主要是防热大底和飞船表面的隔热材料，飞船内部只是稍稍有一点升温。

联盟飞船返回时舷窗外的火光
我们再回到开头的问题：神舟飞船返回还能更快些吗？
实际上，如果从飞船开启发动机开始制动这个关键节点开始计算，神舟十二号的返回过程大约是49分钟，神舟十三号差不多也是这么长时间，比“联盟号”飞船快4分钟。如果想要更快速下降，就要采用更“陡峭”的再入角，这将带来三个致命问题：
一、飞船再入的初速度很高，大角度进入大气层会导致飞船表面升温过快、温度过高，这将超出飞船防热层的承受极限，使飞船烧毁。
二、“联盟号”飞船进入大气层时的载入角度为1.35°角，它几乎是以水平飞行状态进入大气层的，飞船底部也会因为重心偏移而产生升力，这一切都是为了保证足够的减速时间。减速过快会破坏飞船结构，使飞船在高过载下散架。
三、尽管受过严格训练的航天员能承受高达9个g的极端过载，但在太空工作生活半年之后，航天员的肌肉功能减退、骨质丢失，抗过载能力下降，太高的过载是要命的。所以飞船返回过程的设计最大过载通常在4个g左右。

神舟十三号航天员乘组
总而言之，神舟十三号飞船的快速返回程序是相对于之前而言，无论是脱离空间站之后8.3小时，还是启动返回程序之后4小时返回，在神舟飞船系列里都是最快的。
以后能不能做到比“联盟号”的3.5小时更快？我相信熟能生巧，将来神舟飞船在3小时甚至绕地球一周后（1.5小时）顺利返回都可以期待。但是从启动反推发动机制动到49分钟后落地，神舟飞船已经做到了最快，并且这个时间很难被压缩。出于安全考虑，飞船的返回时间也不会再被压缩。

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