从天上回到人间渡过四道“鬼门关”，神十六回家之路究竟多凶险？
如同一颗划过天际的美丽“火流星”，神舟十六号返回舱，载着景海鹏、朱杨柱、桂海潮，平安归来！
10月30日晚上20时37分，神舟十六号载人飞船与空间站组合体成功分离。10月31日早上8时11分，神十六返回舱在东风着陆场成功着陆，三位航天员顺利出舱，健康状况良好，神十六载人飞行任务取得圆满成功。
“网红导师”桂海潮安全顺利出舱（视频截图）。图源央视
一次又一次的成功，我们似乎对咱们的神舟飞船返回舱送航天员安全返回地面已经习惯了，觉得这是稀松平常之事。
事实上，100公里高的稠密大气层，在保护、孕育地球生命和人类文明的同时，也是载人航天的巨大挑战。航天器再入大气层、返回地面的环节，堪称“鬼门关”，而且不是一道、而是四道“鬼门关”。就像飞机降落比起飞更危险一样，飞船再入大气层，可比发射上天入轨要凶险多了。
在热烈祝贺神十六“网红博士乘组”顺利回家的同时，潮新闻邀请航天专家为你科普从天上回到人间的“鬼门关”。
四道“鬼门关”，每一关都凶险无比
为什么再入大气层比发射时要更凶险？浙江大学航空航天学院的王慧泉教授打了个简单的比方：如果说航天器发射时像是战斗机，那么返回时就像是滑翔机。
“航天器发射时有强大的动力，整个是完全受控的。但是返回时只有在某个特定的点发动机会开起来控制一下，而且这种小发动机的动力远远弱于运载火箭，只够调整姿态，航天器只能靠着惯性去‘飘’了，遇到大气扰动对轨道的影响就会比较大，控制起来就会很困难。”王慧泉告诉潮新闻记者。
神舟飞船由轨道舱、返回舱、推进舱三舱构成。返回过程中，飞船从距地面约390公里的空间站轨道逐渐下降，轨道舱率先与返回舱分离，返回舱进入返回轨道。
据王慧泉介绍，在这个过程中，神舟飞船返回舱和航天员乘组，要闯过四道“鬼门关”。
神十六返回动画演示画面（视频截图）。图源中国载人航天工程办公室
一是调姿关。
返回舱进入大气层时必须精确控制自身姿态。角度太小无法进入，若角度过大，返回时可能因为过载太大导致航天员伤亡，甚至因为非防热部位遭遇高温高压而烧毁。为使返回舱着陆在指定区域，神舟飞船返回对着陆精度要求极高。
中国航天科技集团五院技术人员通过对神舟十六号飞行过程中速度、角度和方向的精准控制，使其最终着陆在预定地点。
神舟十六号返回画面（视频截图）。图源中国载人航天工程办公室
二是火焰关。
飞船返回时与大气的剧烈摩擦会产生上千度的高温，我们经常看到再入大气层的物体宛如“火流星”就是这个原理。如果没有先进的防热措施，钢筋铁骨也要化成灰烬。返回舱再入大气层时，要用特制防热材料的舱底保持向前，起到“保护伞”作用，使舱内始终保持适宜的温度。
这个过程又被称为“黑障”阶段，舱体与空气剧烈摩擦产生高温高压的电离气体层，像剑鞘一样包裹在返回舱表面，隔绝返回器与地面测控站之间的通信联络，令人揪心。
美国媒体报道哥伦比亚号航天飞机失事的电视画面。图源视觉中国
2003年2月1日，美国哥伦比亚号航天飞机再入大气层，在着陆前16分钟指挥中心与航天员的联系突然中断。几秒后，航天飞机在距地面60公里高度解体散架，7名航天员在一瞬间被气化，全部遇难。据调查，发射时外部燃料箱表面脱落的泡沫击中了航天飞机左翼前缘的碳纤维材料，形成裂缝。再入大气层的气动加热使高达1400℃的高温空气冲进左机翼，融化了内部结构，导致机体爆炸。
中国航天科技集团五院科研人员在神舟飞船返回舱舱体表面设计了防热涂层，敷设有一层烧蚀材料，当温度达到一定程度时烧蚀材料升华脱落，带走大量热量，从而降低温度。
中国航天科工二院23所研制的相控阵雷达能“看破”在黑障区“隐身”的返回舱，持续开展跟踪测量，防止返回舱偏离预定的着陆区域。
神舟十六号航天员返回地球时的舱内画面（视频截图）。图源中国载人航天工程办公室
三是过载关。
飞船高速进入大气层时会产生巨大的冲击过载，震动和噪声，所以必须使过载限制在人的耐受范围内，一般也就是10个G以内，即航天员承受的力量不到10倍自身体重。
安全渡过过载关的方法，主要是采用半弹道式再入和升力式再入。
我国的神舟飞船、俄罗斯的联盟飞船和美国的阿波罗飞船等均采用半弹道式再入。其航天器重心与对称轴有一定距离，因此再入时飞行方向与对称轴之间有一定夹角，产生一定的升力，可减小超重、降低热流密度，有效减小了航天员承受的过载，使人感觉更轻松。同时，利用升力在一定范围内控制落点，提高着陆精度。半弹道式再入穿越大气层耗时比较久，大气摩擦加热产生的总热量很高，因此对防热的要求较高。
像航天飞机这样的带翼航天器可以进行升力式再入。由于机翼可以产生较大升力，这种方式再入过程中航天器的机动能力是最强的，可在大范围内选择落点，航天员所承受的过载也最小，感觉最舒服。但升力式再入的技术难度也最大，对于防热的要求也最高。
神十六返回舱着陆瞬间。新华社记者 李刚 摄
四是着陆关。
返回舱下降到稠密大气层后，回收控制系统开始工作，打开降落伞，进一步减速；着地前，着陆缓冲装置开始工作，使返回舱以很低的速度实现软着陆，保证航天员安全无恙。这最后一关极为重要，否则功亏一篑，前功尽弃。
1967年4月24日，苏联联盟一号飞船返回，就曾因为在过最后一关时，主降落伞与备用降落伞缠绕到一起，无法正常打开，导致返回舱高速撞向地面，致使船毁人亡，航天员科马洛夫牺牲。
中国航天科技集团为神舟飞船设计了引导伞、减速伞和主伞，回收时依次打开。其中主伞面积达1200平方米，由1900多块伞衣拼接而成，全部展开后可以覆盖3个篮球场大小，拉直长度近70米，是世界上最大的环帆伞。
神舟十六号返回舱开伞（视频截图）。图源中国载人航天工程办公室
在降落伞的保护下，返回舱从每秒200米左右减速至每秒8米左右，但这个速度仍不能保证航天员落地的绝对安全。着陆前的最后几米，返回舱智能计算高度、速度等信息，反推发动机在最佳时机点火“刹车”，速度降至每秒2米左右着陆，内部缓冲座椅也会为航天员提供落地保护。
另外，要保证其落点精度，以便及时发现营救。1965年3月19日，苏联航天员列昂诺夫实现人类历史上首次“太空行走”之后，乘坐上升二号飞船返回舱降落在乌拉尔山脉的原始森林里。由于手控操纵不甚精确，着陆地点偏离预定地点1300公里，营救人员一时赶不到。两名航天员只得在冰天雪地里燃起篝火度过了难熬的一夜，又冻又饿，3月20日才被救援直升机找到，万幸未发生意外。
2020年9月6日，在京举行的中国国际服务贸易交易会展示的北斗卫星导航系统。图源视觉中国
北斗导航，为神舟快速返回保驾护航
从7时21分返回舱与轨道舱分离，到8时11分安全着陆，神十六乘组用了短短50分钟。
此次神舟十六号返回，依然采取神舟十三号以来的“快速返回方案”，大幅缩短了返程时间，减轻了航天员在狭小空间长时间停留的不适感。
2022年4月16日，神舟十三号返回舱首次采用快速返回模式，在不改变硬软件的条件下，返回绕飞地球从神十二的18圈缩短至5圈。每绕一圈约1.5个小时，返回全过程时间就从神十二的28个小时一下子缩短至10个小时左右。
工作人员正在进行神十六航天员出舱准备（视频截图）。图源央视
“以往飞船返回地面要绕行那么多圈，花那么多时间，返回舱无非就是在寻找一个合适的位置和角度脱离近地轨道，然后降低轨道，返回地球。”据北京大学地球与空间科学学院教授、中国空间科学学会空间探测专业委员会副主任焦维新介绍，现在我们借助于北斗卫星导航系统，确定这个窗口是非常容易。
事实上，返回过程与交会对接过程很相似。“空间对接的目标是位于轨道上的空间站，而返回也有一个明确的目标，那就是飞船着陆场。着陆场在地球上的位置是固定的，但地球是不断自转的，所以在飞船上看，这也是一个运动目标。”
神舟飞船的星下点轨迹，东风着陆场在绿色区域内。图源中国载人航天微信公号
如同前面所述，飞船再入时减速的大小和方向是很有讲究的，正确的返回路径存在一个范围，称为“再入走廊”。
一个轨道的长度大约是4万公里，返回舱在哪个位置开始减速呢？焦维新说，这需要仔细计算，返回舱在这个特殊轨道、特殊位置开始减速的时间范围就是我们所说的再入窗口。根据以往的情况，返回舱大概需要飞行1.5万公里。这个窗口一旦确定，返回舱到达着陆场的时间其实不长。
在约390公里高度，两次调姿、轨返分离；约145公里高度，推返分离；距地面约10公里，开伞；最后一步，着陆，航天员出舱。
短短50分钟的旅途，一路的风驰电掣，一路的惊心动魄，中国航天永远值得我们期待！
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