4月16日，神舟13号返回艙在東風着陸場預定區域成功着陸，其首次采用快速返回方案，那麼，快速返回方案是什麼？它到底有多快呢？

撰文/焦維新（北京大學地球與空間科學學院教授、中國空間科學學會空間探測專業委員會副主任）

圖文編輯/陳永傑 新媒體編輯/賴天瑩

據新華社消息，北京時間4月16日9時56分許，神舟十三号載人飛船返回艙在東風着陸場預定區域成功着陸。與神舟十二号載人飛船相比，神舟十三号載人飛船使用快速返回模式，在不改變硬件軟件的條件下，返回繞飛地球從18圈縮短至5圈，返回時間縮短近20小時。

2021年10月16日，航天員翟志剛、王亞平、葉光富在甘肅酒泉衛星發射中心搭乘神舟13号載人飛船進入天和核心艙，成為入住​中國空間站的第二批航天員。

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▲神舟13号乘組成員翟志剛（中）、王亞平（右）、葉光富（左）（圖片來源/中國載人航天微信公号）

目前，神舟13号乘組早已成為在軌時間最長的乘組，航天員王亞​平​、翟志剛、葉光富的在軌時間分列中方航天員的前3位。神舟13号飛船在軌期間，成為首次進行徑向交會對接、在軌時間最長的載人飛船，在其返回時還創造另一個首次——實施快速返回，進一步提升航天員的舒适性及任務實施效率。據悉，神舟12号飛船返回耗時約28小時。而不久前的3月30日，MS-19聯盟号飛船載有一名美國宇航員和兩名俄羅斯宇航員成功返回地面，耗時約4小時。

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▲美國東部時間3月30日上午7時28分，載有兩名俄羅斯宇航員和一名美國宇航員的俄羅斯“聯盟MS-19”号飛船成功在哈薩克斯坦着陸（圖片來源/NASA）

其實，快速返回與快速交會對接有許多相似的地方，通過分析快速交會對接，可以了解快速返回的主要過程。快速交會對接遇到的問題是：空間站與飛船在不同的軌道上運行，軌道高度及兩者的相對位置都在不斷變化，飛船将以什麼樣的方式逐步接近空間站呢？早期的辦法是通過地面站确定兩者的位置，根據地面站提供的數據，飛船逐步提升軌道高度。每提升一次高度後，要保持在這個軌道上一定的時間，再等候由地面站傳來的最新數據，并據此決定下次加速的時間和新的軌道參數，這樣一次次逼近對接目标。此前，神舟12号飛船在與核心艙分離之後，首先進行的是徑向交會試驗，繞飛到核心艙的下方，自下而上逐步靠近核心艙徑向對接口，對徑向交會對接的各項技術進行驗證。完成之後，飛船繞飛到核心艙前端，這個階段大約4.5個小時，此後神舟12号就進入返回程序。

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▲神舟12号飛船返回動畫（圖片來源/中國載人航天微信公号）

為了讓飛船能夠更加精确瞄準着陸區域，技術人員實時測定飛船軌道位置及高度後，神舟12号還需要繞地球飛行十多圈，每一圈約1.5個小時，然後逐步降低軌道。進入大氣層前，飛船要完成推進艙分離。

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▲神舟12号載人飛船返回艙在東風着陸場成功着陸 （圖片來源/中國載人航天微信公号）

而在快速交會對接方案中，飛船與空間站的位置由北鬥衛星導航系統确定，飛船上的計算機根據這些數據，确定飛船加速的最佳方案，因此使交會對接的時間大大縮短。返回過程與交會對接過程也有相似的地方。

空間交會的目标是位于軌道上的空間站，而返回也有一個明确的目标，那就是飛船着陸場。着陸場在地球上的位置是固定的，但地球是不斷自轉的，所以在飛船上看，這也是一個運動目标。在具體介紹快速返回前，我們先介紹兩個概念：載入走廊與載入窗口。

1.再入走廊飛船減速的大小和方向是很有講究的。如果減速幅度小，方向又不合适，飛船就不能進入大氣層。相反，如果減速過大，速度方向與水平方向的夾角過大，則會導緻返回艙的過載加速度太大。因此，正确的返回路徑存在一個範圍，稱為“再入走廊”。

2.再入窗口返回艙在确定的軌道上減速進入大氣層的時間範圍。再入窗口的确定涉及兩個因素。首先是特殊的軌道，對這個軌道的要求是軌道的星下點軌迹通過着陸場。所謂星下點軌迹是指，航天器軌道按飛行方向分可分為順行軌道(與地球自轉方向相同)、逆行軌道(與地球自轉方向相反)、赤道軌道(在赤道上空繞地球飛行)和極軌道(經過地球南北極上空)。航天器飛行時，在地球表面投影點的連線稱為星下點軌迹。人們用星下點軌迹來表示航天​器​在地球上空的飛行路線，星​下點​所達到的最大緯度等于軌道面和地球的赤道面的之間夾角(軌道傾角)。

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▲神舟飛船的星下點軌迹，​途中​綠色區域為東風着陸場成功着陸 （圖片來源/中國載人航天微信公号）

一個軌道的長度大約是4萬公裡，返回艙在哪個位置開始減速呢？這需要仔細地計算，根據以往的情況，返回艙大概需要飛行1.5萬公裡。返回艙在這個特殊軌道、特殊位置開始減速的時間範圍就是我們所說的載入窗口。這個窗口一旦确定，返回艙到達着陸場的時間其實不長。參照神舟12号的情況，從軌返分離到安全着陸，所用時間隻有50分鐘。以往飛船返回地面往往要用一天多的時間。繞行那麼多圈，花那麼多時間，返回艙無非就是在尋找一個合适的位置和角度脫離繞地軌道，然後返回地球。現在，我們借助于北鬥衛星導航系統，确定這個窗口是非常容易。

出品：科普中央廚房

監制：北京科技報 | 北科傳媒

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