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在东风着陆场预定区域成功着陆。根据新闻报道，飞船带着“10.8环”着陆，如果是射击比赛，击中靶心。

仅仅几天后，如果一切顺利，SpaceX的“龙-2”载人飞船也将搭载两名宇航员开始其首次飞行，然后它将按计划溅落到预定的海域。

龙-2空飞船从飞行测试返回

不知你有没有注意到，几乎所有的载人飞船，它们返回舱在降落过程中都是大头朝下的。为什么宇宙飞船在返回期间能在不受控制的条件下保持稳定？如果它滚动会发生什么？宇宙飞船有可能会翻车吗？今天我们将从科学的角度讨论这些问题。

宇宙飞船又回到了想象中。

宇宙飞船的形状

传统的飞船返回舱大致分为两种形状。一个是钟形的，就像一个带扣的铜钟。它的下部大，上部小。它的外壳有一条平滑的过渡曲线。前苏联的联盟号和我们的神舟飞船就是这种类型。另一种是圆锥形或截头圆锥形，属于阿波罗飞船和大多数新一代载人飞船的指令(返回)舱。即将发射的“龙-2”也类似于一个截头圆锥体，除了它被一个反推力发动机包围，这个发动机被设计成看起来像科幻小说。

新一代航天器与传统航天器的外形

不管飞船设计成什么样子，它的返回舱通常是一个大的上部和一个小的下部。

为什么飞船返回舱必须是这样的？

我们知道，由于万有引力的关系，地球附近的任何物体都会受到地球引力的影响，为了平衡地球引力，宇宙飞船需要以第一宇宙速度飞行。也就是说，卫星、空站和载人宇宙飞船绕地球运行的最低速度是7.9公里/秒；如果你想飞向月球，你需要更快。然而，如果你想与地球平起平坐，成为一艘绕太阳飞行的宇宙飞船，你需要达到每秒11.2公里的第二宇宙速度。相反，当你从这些地方返回地球时，你的返回速度也相应于它。同时，由于地球重力加速度的影响，你的下降速度会越来越快。

宇宙飞船不能以第一宇宙速度返回地球表面。没有飞船能承受如此巨大的冲击。当进入大气时，速度太快，并且由于与空的摩擦产生的高温，它会燃烧。因此，首先，我们需要在规定的时间内降低速度。第二，我们需要避免在大气中燃烧。与此同时，我们还需要考虑减速造成的过载不会杀死宇宙飞船中的宇航员。为了解决这些复杂的问题，我们需要使用空空气动力学原理。

一颗卫星在大气层中被烧毁。

由于运载火箭的空气动力学要求空以及考虑到结构稳定性和安全性，航天器大多设计成截头体或接近锥体。当航天器上升时，其锥形表面上升，以获得更高的升阻比；当宇宙飞船返回时，我们需要关注如何更快地降低速度，所以我们需要宇宙飞船具有更低的弹道系数。

不同的姿态导致弹道系数的明显差异。

当发射子弹或导弹时，高弹道系数是我们的目标，所以我们可以飞得又快又远。然而，高弹道系数不利于航天器返回期间的减速，因此航天器的底部需要面向前方。这样做的另一个优点是，我们可以用最小的面积设计隔热系统，并以最小的成本保护航天器在返回大气层时不被2000℃以上的高温灼伤。

飞船返回到想象中的地图，底部有一个隔热板。

飞船如何克服翻滚？

与发射过程不同，飞船的返回舱在重返大气层的大部分时间里不受控制。同质物体在高速运动时可能会翻滚，这意味着船只被摧毁，人死亡。

那么，我们如何确保飞船在不受控制的情况下仍然保持大头朝下，底部隔热罩始终与它的前进方向保持一致呢？

根据万有引力定律，物体在地球引力场中的质量越大，它离地球中心越近，它的引力势能(引力势能)就越大，它就越倾向于向地球中心移动。如果你释放一个气球，它悬挂的重量将指向地球的中心。不倒翁玩具也利用重力势能来达到平衡。

不倒翁的动态图像

拆开一个不倒翁玩具，你会很快发现它平衡的秘密——它的大部分内部是空的，非常轻，而一个沉重的铅块固定在它的底部。由于这个铅块的存在，不倒翁的重心大大下移。当你推它时，支点会移动，但由于重力势能的存在，它会在摆动一段时间后逐渐回到垂直状态。此时，它的支点与质心轴重叠，质心轴是重力势能的平衡状态。

不倒翁应用了重力势能平衡原理。

你还记得在大唐不夜城扮演仙女的小妹吗？事实上，她还被绑在一个沉重的半球形底座上，因为相对于底座来说，人的重量很轻，所以整体重心会下移，无论她如何摇摆，她都不会摔倒。它们是“不倒翁”的真实版本。

重力势能趋于平衡

我们飞船的返回舱也是如此。事实上，你可以把它视为一个“不倒翁”，重量轻的向上，重量重的向下。它空内的大多数轻型设备安装在飞船的上半部，而那些又大又重的东西则位于飞船的圆弧形底部。在飞行过程中，它主要受两种力的影响——地球引力和空空气阻力。飞船保持稳定的飞行，不会因其沉重的底部而翻转。

飞船的重心靠近底部，以保持飞行中的平衡。

重心和飞行角度的偏差

小心你可能会注意到上面图像中的“猎户座”飞船的重心不在它的轴上，而是移到了一边。关心中国新一代载人飞船返航消息的朋友们也应该关注飞船着陆后的照片。船体侧面的烧蚀痕迹是倾斜的。

中国新一代载人飞船表面的烧蚀痕迹。

为什么会这样？因为飞船返回大气层的两幅图像都是错误的，所以你在网上找到的飞船返回的许多图像也是错误的。事实上，绝大多数载人飞船在设计过程中重心发生了偏移，并且在返回时以倾斜的姿态着陆，就像下面的阿波罗飞船返回图一样。

正确的飞船返回姿态是倾斜的。

宇宙飞船在进入稠密大气层之前有很高的初始速度。为了打开降落伞，我们需要在短时间内把它的速度降低到亚音速。速度下降不能太快，宇航员不能承受高于11G的过载。因此，我们需要飞船以一个倾斜的角度下降，并通过持续的空空气摩擦使返回舱减速。这个下降角度需要精确计算，角度越大，过载越大。如果角度太小，在大气层的边缘会有“水漂”的现象。在正常情况下，航天器底部中心的切线与地球海平面之间的角度约为60度，因此航天器在飞行期间也将获得一定的空空气升力。升力可以延长航天器返回时的延迟空时间，延长轨道，从而将过载控制在可接受的范围内。

宇宙飞船调整了它的迎角以获得升力。

严重空空气摩擦产生高温烧蚀，烧蚀轨迹平行于空空气阻力的方向。根据飞船侧面留下的痕迹，我们可以大致判断飞船着陆时的角度和姿态。

摘要:

载人飞船返回舱是经过精确计算和精心设计的高科技产品。它负责宇航员安全返回地球表面。

在进入大气层之前，航天器需要启动飞行器上的姿态调整引擎，提前调整姿态，以确定正确的下降迎角。这时，飞船应该面向前方。这是一种能够承受2000℃高温燃烧的热防护结构，航天器的其他部分不能长时间承受这样的高温。

航天器返回姿态的计算是一个复杂的过程。

科学家通过将飞船的大部分重量放在底部来降低其重心。重力势能使飞船在下降过程中保持动态平衡，就像不倒翁一样。同时，由于航天器的质心不在中心轴上，在下降过程中会与气流保持一定的角度，使航天器具有额外的升力，并能延长航天器的滞后时间空，从而很好地控制过载，保证航天员的生命安全。