從高中物理看神舟十二號返回艙著陸

何 龍

（清華大學附屬中學永豐學校）

根據報道，中國自主研發的神舟十二號載人飛船與空間站成功分離，于2021年9月17日安全著陸東風著陸場，三名航天員順利返航！在感慨中國航天飛速發展的同時，我們不妨從高中物理涉及的范疇去回顧這一歷史過程，真切感受航天人為之付出的努力.

圖1 中國空間站結構組成

在航天領域有一條叫作卡門線的分界線，它把距離地面100km以內的空間稱為大氣層，之外的部分叫作外太空.可以想見，在相同情形下距離地面越近，航天器受到的空氣阻力就會越大.我們可以按照勻速圓周運動模型作一個簡單的分析，只有當萬有引力全部提供向心力時空間站才會穩定地做勻速圓周運動.而當空氣阻力作用于空間站，會導致其線速度減小，致使其所受萬有引力大于所需向心力，即萬有引力的作用效果除了改變空間站的運動方向外，還在半徑方向產生一個指向地球的加速度，不加干預的話空間站就會逐漸做向心運動.所以在綜合考慮成本、信號傳輸、輻射干擾等因素后，中國空間站將軌道高度確定在距地400km的位置.同樣的道理，如果我們需要讓載人飛船返回地球，要做的第一件事就是與空間站分離，并依靠推進艙的反向推進減速.這樣在萬有引力不變的前提下，由于線速度v減小，其維持圓周運動所需的向心力就會減少，萬有引力額外的作用效果會讓飛船逐漸靠近地球，踏上重返地面的旅途.

在距離地球表面140km左右時，神舟十二號載人飛船的返回艙與推進艙分離，之后推進艙在墜入大氣層后與空氣摩擦燒毀，而返回艙則會調整姿態，按照精確的軌跡進入大氣層.造成二者命運不同的原因，就是返回艙擁有周全的隔熱措施：艙體外覆蓋了大量隔熱耐磨涂層.它可以像水發生汽化時吸熱一樣，在高溫中發生熔化、汽化甚至化學變化帶走大量的熱.此外這種材料被燒蝕后會形成一層隔熱效果極好的碳層，這里需要強調一下，隔熱好并非指材料的比熱容大，而是指材料傳遞熱量的能力差，物理上會用導熱系數描述材料的導熱屬性，其單位是W·(m·K)－1.舉一個簡單的例子，鋁的比熱容是900J·(kg·K)－1，略大于石棉的比熱容840J·(kg·K)－1，即相同質量下二者吸收相同的熱量，升高的溫度相差不大.但常態下鋁的導熱系數可以達到230 W·(m·K)－1左右，而石棉的導熱系數僅為0.15 W·(m·K)－1，所以我們觸摸金屬鋁會感到冰涼，就是因為熱量被迅速傳遞走的緣故.而返回艙外涂層的導熱系數會更低，據悉，專門為中國火星探測器研發的超低密度防熱涂層材料，在保證質量極低的前提下導熱系數可以低至0.06 W·(m·K)－1，各項基本物理性能都達到國際先進水平.有了這層防護衣，返回艙就具備了安全穿越大氣層的基本條件.

圖2 采用激光沉積3D打印制造的返回艙防熱大底框架

在進入大氣層后，鐘型的返回艙會調整為大頭朝下，“防熱大底”會正對空氣摩擦燒灼最嚴重的迎風面.此時，由于返回艙已經獲得大量由引力勢能轉化而來的動能，其速度可以達到第一宇宙速度7.9km·s－1.由于高速運行與周圍空氣摩擦做功，返回艙外部的溫度會攀升到2000℃左右.在這里需要明確的是，高中階段對于溫度的認識已經不再局限于物體的冷熱程度，它是判定熱力學系統是否處于熱平衡的標尺，也表征了微觀物質分子無規則熱運動的劇烈程度.于是在艙外空氣分子被加熱到極高的溫度獲得大量能量后，其外層電子就會掙脫原子核的束縛成為自由電子，發生電離.于是這層溫度極高的空氣層就會變成一團游離的負電子和正原子組成的“漿糊”，因為這團物質的正負電荷總量依舊相等，可以近似看作電中性，所以被人們稱為等離子體.

聽到這個名詞你或許會覺得有些熟悉，等離子體在社會生產生活中的應用十分廣泛，但對于進入大氣層的返回艙來說卻并不是什么好事.從前文的描述不難判斷等離子體是很好的導體，我們可以簡單類比一下金屬導體殼的靜電屏蔽現象，就可以想見當返回艙外覆蓋一層等離子氣體時的狀態.此外，返回艙的高速運動、高溫以及帶電體的庫侖力相互作用，會讓其中的帶電粒子迅速流動形成電流，進一步干擾電磁波的傳輸.所以，這段時期返回艙與外界無線電通信被切斷，地面無法通過任何形式控制返回艙的狀態，只能依靠其自身調節.于是這段距離被稱為“黑障區”，多出現在距離地表35km～80km的區間.通過“黑障區”后，地面控制會在幾秒鐘內再次鎖定返回艙，并利用靜壓高度控制器通過測量大氣壓的方法確定距離地面高度，在距地10km左右處依次打開各級降落傘，防熱大底也會在這一階段通過爆炸的方式拋除，為艙體減速作出貢獻.

對于開傘和拋大底的過程我們可以做一些動力學的分析推理.首先，使用爆破方式分離大底，其物理意義在于讓大底獲得更大的指向地面的速度，根據動量守恒定律可以推出返回艙在這一過程中將獲得更多的減速效果.其次，去除大底可以有效減輕艙體質量，在降落傘提供相對穩定的阻力的前提下，根據牛頓第二定律，艙體可以獲得更大的反向加速度.最后，為了防止航天員受到過大的瞬間沖擊力，返回艙會分為三級依次打開引導傘、減速傘和主傘，延長開傘時間.這一過程后，返回艙的速度會降至7 m·s－1左右，初步具備了撞擊地面的條件.

但是為了進一步保護航天員的生命安全，返回艙著陸前還有最后一步的防護措施.在離地1 m位置時，返回艙底部的反推發動機會快速反向點火，保證返回艙觸地時速度低于2 m·s－1.整個返回過程三位航天員在艙內始終處于近乎平躺的姿勢被座椅包裹住，通過人體工程學和增大受力面積的方法讓減速導致的過大支持力均勻分布在人體各部分，再加上艙底的吸能外殼、減震材料，最終保障航天員身體不受損傷.

圖3 返回艙啟動反推發動機著陸瞬間

神舟十二號的返航，標志著中國航天史上的又一次巨大突破.僅就整個返航過程而言，雖然經歷的時間并不算長，但卻可以說是中國航天事業的一段縮影，成功就是在這樣無數的細節中積累獲得的，致敬偉大的航天英雄們.