4月16日，神舟13号返回舱在东风着陆场预定区域成功着陆，其首次采用快速返回方案，那么，快速返回方案是什么？它到底有多快呢？
撰文/焦维新（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）
图文编辑/陈永杰 新媒体编辑/赖天莹
据新华社消息，北京时间4月16日9时56分许，神舟十三号载人飞船返回舱在东风着陆场预定区域成功着陆。与神舟十二号载人飞船相比，神舟十三号载人飞船使用快速返回模式，在不改变硬件软件的条件下，返回绕飞地球从18圈缩短至5圈，返回时间缩短近20小时。
2021年10月16日，航天员翟志刚、王亚平、叶光富在甘肃酒泉卫星发射中心搭乘神舟13号载人飞船进入天和核心舱，成为入住中国空间站的第二批航天员。
▲神舟13号乘组成员翟志刚（中）、王亚平（右）、叶光富（左）（图片来源/中国载人航天微信公号）
目前，神舟13号乘组早已成为在轨时间最长的乘组，航天员王亚平、翟志刚、叶光富的在轨时间分列中方航天员的前3位。神舟13号飞船在轨期间，成为首次进行径向交会对接、在轨时间最长的载人飞船，在其返回时还创造另一个首次——实施快速返回，进一步提升航天员的舒适性及任务实施效率。据悉，神舟12号飞船返回耗时约28小时。而不久前的3月30日，MS-19联盟号飞船载有一名美国宇航员和两名俄罗斯宇航员成功返回地面，耗时约4小时。
▲美国东部时间3月30日上午7时28分，载有两名俄罗斯宇航员和一名美国宇航员的俄罗斯“联盟MS-19”号飞船成功在哈萨克斯坦着陆（图片来源/NASA）
其实，快速返回与快速交会对接有许多相似的地方，通过分析快速交会对接，可以了解快速返回的主要过程。快速交会对接遇到的问题是：空间站与飞船在不同的轨道上运行，轨道高度及两者的相对位置都在不断变化，飞船将以什么样的方式逐步接近空间站呢？早期的办法是通过地面站确定两者的位置，根据地面站提供的数据，飞船逐步提升轨道高度。每提升一次高度后，要保持在这个轨道上一定的时间，再等候由地面站传来的最新数据，并据此决定下次加速的时间和新的轨道参数，这样一次次逼近对接目标。此前，神舟12号飞船在与核心舱分离之后，首先进行的是径向交会试验，绕飞到核心舱的下方，自下而上逐步靠近核心舱径向对接口，对径向交会对接的各项技术进行验证。完成之后，飞船绕飞到核心舱前端，这个阶段大约4.5个小时，此后神舟12号就进入返回程序。
▲神舟12号飞船返回动画（图片来源/中国载人航天微信公号）
为了让飞船能够更加精确瞄准着陆区域，技术人员实时测定飞船轨道位置及高度后，神舟12号还需要绕地球飞行十多圈，每一圈约1.5个小时，然后逐步降低轨道。进入大气层前，飞船要完成推进舱分离。
▲神舟12号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆 （图片来源/中国载人航天微信公号）
而在快速交会对接方案中，飞船与空间站的位置由北斗卫星导航系统确定，飞船上的计算机根据这些数据，确定飞船加速的最佳方案，因此使交会对接的时间大大缩短。返回过程与交会对接过程也有相似的地方。
空间交会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。在具体介绍快速返回前，我们先介绍两个概念：载入走廊与载入窗口。
1.再入走廊飞船减速的大小和方向是很有讲究的。如果减速幅度小，方向又不合适，飞船就不能进入大气层。相反，如果减速过大，速度方向与水平方向的夹角过大，则会导致返回舱的过载加速度太大。因此，正确的返回路径存在一个范围，称为“再入走廊”。
2.再入窗口返回舱在确定的轨道上减速进入大气层的时间范围。再入窗口的确定涉及两个因素。首先是特殊的轨道，对这个轨道的要求是轨道的星下点轨迹通过着陆场。所谓星下点轨迹是指，航天器轨道按飞行方向分可分为顺行轨道(与地球自转方向相同)、逆行轨道(与地球自转方向相反)、赤道轨道(在赤道上空绕地球飞行)和极轨道(经过地球南北极上空)。航天器飞行时，在地球表面投影点的连线称为星下点轨迹。人们用星下点轨迹来表示航天器在地球上空的飞行路线，星下点所达到的最大纬度等于轨道面和地球的赤道面的之间夹角(轨道倾角)。
▲神舟飞船的星下点轨迹，途中绿色区域为东风着陆场成功着陆 （图片来源/中国载人航天微信公号）
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？这需要仔细地计算，根据以往的情况，返回舱大概需要飞行1.5万公里。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载入窗口。这个窗口一旦确定，返回舱到达着陆场的时间其实不长。参照神舟12号的情况，从轨返分离到安全着陆，所用时间只有50分钟。以往飞船返回地面往往要用一天多的时间。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绕地轨道，然后返回地球。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。
出品：科普中央厨房
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