成功著陸！權(quán)威解讀神舟二十一號(hào)太空“生死速遞”是如何做到的？

本文刊載于科普新媒體平臺(tái)“蝌蚪五線(xiàn)譜”，經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

圖片來(lái)源：央視直播截圖

神舟二十號(hào)航天員乘組平安落地。圖片來(lái)源：央視直播截圖

北京時(shí)間2025年11月14日16時(shí)40分，神舟二十一號(hào)載人飛船返回艙在東風(fēng)著陸場(chǎng)成功著陸。推遲返航的神舟二十號(hào)航天員乘組平安落地！

神舟二十號(hào)乘組為何搭乘二十一號(hào)飛船返回？

眾所周知，此次神舟二十號(hào)航天員乘組的推遲返回，是緣于神舟二十號(hào)飛船最大可能遭遇了微小空間碎片的撞擊，而撞擊的位置恰恰是返回艙的舷窗玻璃。

上圖為“神舟”飛船返回艙舷窗結(jié)構(gòu)示意圖。圖片來(lái)源：科普中國(guó)

“神舟”飛船返回艙舷窗采用三層玻璃：最外層（圖中最上方）是高溫防熱玻璃，這層玻璃無(wú)密封要求，專(zhuān)門(mén)用以防熱,但它不具備承壓能力。內(nèi)兩層則采用鋼化玻璃，同時(shí)承壓和密封,但防熱性能欠佳。這次損壞的是最外層的防熱玻璃。由于再入大氣層的過(guò)程中的熱流沖擊非常強(qiáng)烈，已經(jīng)破損的防熱玻璃很可能粉碎并剝離，導(dǎo)致內(nèi)層的承壓玻璃暴露在熱流中，有可能損毀并導(dǎo)致艙內(nèi)失壓。因此從保障航天員的絕對(duì)安全角度出發(fā)，神舟二十號(hào)飛船已經(jīng)難以做到萬(wàn)無(wú)一失了。

那為何推遲這么多天返回呢？原因是地面指揮系統(tǒng)需要進(jìn)行一系列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑u(píng)估程序，比如拍照判讀、設(shè)計(jì)復(fù)核、仿真分析和風(fēng)洞試驗(yàn)等，最終才判斷得出結(jié)論：神舟二十號(hào)飛船不滿(mǎn)足載人安全返回的放行條件。

最終拿出的太空救援方案是，神舟二十號(hào)航天員乘坐神舟二十一號(hào)載人飛船返回。神舟二十號(hào)載人飛船將繼續(xù)留軌開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)，后續(xù)如何返回地面將擇機(jī)而定。待神二十乘組返回地面后，神舟二十二號(hào)飛船將以無(wú)人搭乘的形式發(fā)射升空，用于半年后神舟二十一號(hào)乘組返回地面。

此次太空救援方案，在中國(guó)航天史和世界航天史上尚屬首次。

神舟二十一號(hào)兩創(chuàng)載人飛船超快速紀(jì)錄

此次神二十一號(hào)飛船返回地面途中繞地飛行由5圈改3圈。完成時(shí)間僅僅耗時(shí)5小時(shí)26分鐘，這又是一次新的紀(jì)錄。

制動(dòng)減速階段。圖片來(lái)源：央視截圖。

據(jù)中國(guó)載人航天辦公室通報(bào)，神舟二十一號(hào)在11月14日11時(shí)14分成功撤離空間站。而神舟二十一號(hào)載人飛船返回艙在東風(fēng)著陸場(chǎng)成功著陸的時(shí)間是北京時(shí)間11月14日16時(shí)40分。這意味著新紀(jì)錄的時(shí)長(zhǎng)對(duì)比神舟十九號(hào)的快速返回（9小時(shí)）又大大縮短了超3.5小時(shí)。

神舟二十一號(hào)的超快速返回，大幅縮短時(shí)間的環(huán)節(jié)是在飛船再入前繞飛地球的圈數(shù)。飛船與空間站脫離后，都要調(diào)整軌道，而這個(gè)過(guò)程里，神舟十九號(hào)要繞飛地球5圈，以備做好軌道調(diào)整；而神舟二十一號(hào)減少2圈，僅繞地球飛行3圈。這中間最大的改變是離軌控制制動(dòng)參數(shù)由地面計(jì)算改為了船上計(jì)算機(jī)自主更新計(jì)算。據(jù)悉，為了確保“自主計(jì)算”的正確性，地面指揮系統(tǒng)先后開(kāi)展了六輪復(fù)核復(fù)算。

從神舟二十一號(hào)發(fā)射后的3.5小時(shí)超快速交會(huì)對(duì)接，到此次臨危受命又用5小時(shí)26分鐘的超快速返回，不到半個(gè)月，神舟二十一號(hào)的一上一下，兩創(chuàng)超快速紀(jì)錄。這一新紀(jì)錄標(biāo)志著我國(guó)載人飛船再入返回技術(shù)取得新突破、系統(tǒng)可靠性達(dá)到新高度。

為了讓公眾更加清晰的了解神舟載人飛船是如何返回地面的，下文將詳細(xì)講解有關(guān)“神舟”載人飛船在返回過(guò)程需要經(jīng)歷哪些環(huán)節(jié)考驗(yàn)。從而幫助公眾更好理解為什么此次推遲返回和更換載人飛船的決定。

1制動(dòng)減速階段

第一階段是制動(dòng)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(lái)的飛行軌道，進(jìn)入下降飛行的軌道。

具體過(guò)程是，“神舟”飛船在太空中運(yùn)行最后一圈時(shí)，地面向飛船發(fā)出指令，使飛船調(diào)整姿態(tài)，相對(duì)前進(jìn)方向向左偏航（逆時(shí)針轉(zhuǎn)）90°，變成橫向飛行狀態(tài)，這是第一次調(diào)整姿態(tài)；緊接著，飛船的軌道艙與返回艙以1～2米/秒的相對(duì)速度成功分離。

制動(dòng)減速階段示意圖。圖片來(lái)源：央視截圖。

軌道艙與返回艙分離后，返回艙與推進(jìn)艙組合體再向逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)90°，使推進(jìn)艙朝前，這是第二次調(diào)整姿態(tài)；此時(shí)飛船推進(jìn)艙上的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作，使組合體降低速度；在完成持續(xù)約180秒的制動(dòng)后，組合體順利進(jìn)入返回軌道。

2自由滑行階段

第二階段是自由滑行階段。進(jìn)入返回軌道后，返回艙與推進(jìn)艙組合體以無(wú)動(dòng)力飛行狀態(tài)自由下降。當(dāng)返回艙與推進(jìn)艙組合體高度降至距離地面145千米時(shí)，推進(jìn)艙和返回艙分離，推進(jìn)艙在大氣層中燒毀，返回艙繼續(xù)下降，并消除由于兩艙分離時(shí)產(chǎn)生的返回艙姿態(tài)分離干擾，建立正確的再入姿態(tài)角（速度方向與當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角），準(zhǔn)備再入大氣層。

返回艙調(diào)整姿態(tài)示意圖。作者供圖。

這個(gè)角度必須精確地控制在一定的范圍內(nèi)，一般為1.5°～1.7°，如果返回艙再入姿態(tài)角太大，它在再入大氣層時(shí)會(huì)因速度太快，而使最大過(guò)載超標(biāo)，航天員身體承受不了，返回艙甚至?xí)窳餍且粯釉诖髿鈱又袩龤В蝗绻偃胱藨B(tài)角太小，返回艙會(huì)從大氣層邊緣擦過(guò)，無(wú)法返回。

返回軌道與再入角示意圖。作者供圖。

在推進(jìn)艙和返回艙分離以后，返回艙會(huì)利用自身裝配的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，變成大底朝前的飛行狀態(tài)。這樣一來(lái)，返回艙在穿越大氣層時(shí)產(chǎn)生一定的升力，因而能夠?qū)︼w行軌跡進(jìn)行一定控制，從而保證落點(diǎn)準(zhǔn)確度較高，對(duì)航天員的過(guò)載沖擊也比較小。

返回艙與推進(jìn)艙分離示意圖。作者供圖。

3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(shí)開(kāi)始再入大氣層。在距離地面80千米時(shí)，返回艙進(jìn)入“黑障”區(qū)，使返回艙暫時(shí)與地面失去聯(lián)系，直到在距離地球約40千米處時(shí)出“黑障”區(qū)，返回艙與地面的聯(lián)系又恢復(fù)了。

進(jìn)入黑障區(qū)時(shí)，返回艙隔熱大底外表面與大氣層會(huì)發(fā)生劇烈的摩擦，溫度可達(dá)上千度。對(duì)于黑障區(qū)的經(jīng)歷，神舟十六號(hào)任務(wù)航天員朱楊柱在央視的直播節(jié)目中幽默的形容“一路火花帶閃電，仿佛坐在太上老君的煉丹爐里”，但返回艙內(nèi)溫度變化不大。

在再入大氣層的過(guò)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(guò)對(duì)返回艙側(cè)傾角的調(diào)整變化（配平迎角約為20°）來(lái)實(shí)現(xiàn)返回升力控制，使返回艙的過(guò)載不大于4g，而且可以比較精確地返回到著陸場(chǎng)。飛行高度約為20千米時(shí)，返回艙升力控制結(jié)束。

返回艙再入大氣層示意圖。作者供圖。

基于動(dòng)態(tài)適應(yīng)和天基測(cè)控，目前我國(guó)返回艙在返回過(guò)程中以升力式作為返回手段，以預(yù)測(cè)制導(dǎo)作為控制方案，這樣可以對(duì)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行自主調(diào)整，特別是在以往返回任務(wù)中最驚心動(dòng)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。采用預(yù)測(cè)制導(dǎo)的自適應(yīng)控制方案，可使返回艙返回在“黑障”過(guò)程中辨識(shí)空間環(huán)境對(duì)它的影響，實(shí)時(shí)制定出新的升力控制的策略。通過(guò)預(yù)測(cè)制導(dǎo)的方案，一是可以保證人員著陸的精度，二是能保證整個(gè)過(guò)程的安全性。

4回收著陸階段

第四階段是回收著陸階段。在返回艙距地面10千米左右時(shí)，返回艙上的靜壓高度控制器通過(guò)測(cè)量大氣壓力自動(dòng)判定所處高度啟動(dòng)回收著陸系統(tǒng)開(kāi)始工作。返回艙先打開(kāi)傘艙蓋，然后依次拉開(kāi)引導(dǎo)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(shí)，打開(kāi)主降落傘，把返回艙的速度由60～70米/秒減至5～6米/秒。

回收著陸分系統(tǒng)正常工作程序。作者供圖。

另外，返回艙降到距地面約6千米時(shí)，主降落傘與返回艙的連接由單點(diǎn)傾斜吊掛轉(zhuǎn)換成兩點(diǎn)垂直吊掛，以便返回艙著陸時(shí)緩沖裝置能夠更好地發(fā)揮緩沖作用；返回艙降到距地面約6千米時(shí)拋掉了返回艙的防熱大底，以便露出返回艙底部的反推發(fā)動(dòng)機(jī)。在距地面1米左右時(shí)，返回艙底部的4臺(tái)反推發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，使返回艙以大約3米/秒的速度軟著陸，同時(shí)通過(guò)返回艙底部吸能外殼、減振材料和座椅緩沖機(jī)構(gòu)組成的減振系統(tǒng)來(lái)吸收能量，保證航天員安全落地。

航天員和座椅。其中的座椅緩沖器和賦形墊子也用于緩沖。作者供圖

由于飛船返回艙在返回過(guò)程中處于高速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，一旦中途出現(xiàn)故障，外界無(wú)法采取營(yíng)救措施，也不可能將程序暫停或恢復(fù)到原位重新開(kāi)始。因此，回收著陸系統(tǒng)的工作過(guò)程只能是由一系列不可逆按時(shí)序執(zhí)行的動(dòng)作組成。

為保證航天員的生命安全，提高回收著陸系統(tǒng)工作的可靠性和安全性，設(shè)計(jì)師們想到了一切可能發(fā)生的緊急情況，為回收著陸系統(tǒng)設(shè)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，采取了備份降落傘裝置、時(shí)間控制器、三組高度開(kāi)關(guān)等多種備份措施，以全面保證返回艙在火箭發(fā)射段、上升段、正常返回和應(yīng)急返回段的安全返回與著陸。

神舟二十二號(hào)飛船將擇機(jī)發(fā)射

隨著神舟二十號(hào)航天員乘組的返回，后續(xù)將擇機(jī)發(fā)射神舟二十二號(hào)飛船。這背后實(shí)際上是我國(guó)空間站建設(shè)階段火箭與飛船的“滾動(dòng)備份”雙保險(xiǎn)機(jī)制。

實(shí)際上，自神舟十二號(hào)任務(wù)起，長(zhǎng)二F火箭都將采取“發(fā)射一發(fā)、備份一發(fā)”及“滾動(dòng)備份”的發(fā)射模式，進(jìn)入值班狀態(tài)的火箭如接到應(yīng)急救援命令，最快10天內(nèi)就能實(shí)施應(yīng)急救援發(fā)射。

空間站階段載人火箭始終保持一主一備。圖片來(lái)源：央視新聞

因?yàn)榭臻g站階段航天員在軌飛行時(shí)間長(zhǎng)，安全隱患風(fēng)險(xiǎn)增加，因此，為應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的突發(fā)狀況，采取“發(fā)射一發(fā)、備份一發(fā)”的滾動(dòng)備份發(fā)射模式，可以為航天員的生命安全加上“雙保險(xiǎn)”。

此種應(yīng)急待命狀態(tài)就意味著只要空間站里有我們的航天員在工作生活，地面上就必須有一發(fā)火箭和一艘飛船進(jìn)行應(yīng)急救援的值班，隨時(shí)準(zhǔn)備進(jìn)入太空，把航天員接回地球。

神舟二十號(hào)飛船指令長(zhǎng)陳冬落地第一時(shí)間接收采訪(fǎng)。央視截圖。

當(dāng)神舟二十號(hào)與太空微小碎片的驚險(xiǎn)一刻不期而至，神舟二十一號(hào)未雨綢繆的智慧，成為了最可靠的“生命盾牌”。意外無(wú)法預(yù)知，但勇氣足以將其征服。為中國(guó)航天自豪！歡迎我們的英雄——神舟二十號(hào)三位航天員，平安穿越蒼穹，榮歸地球家園！

策劃：劉穎 張超 李培元 楊柳

作者：龐之浩 全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專(zhuān)家