神舟14飞船在1米高度精准反推着陆，如何做到的？美国为何不用？

　　神舟十四号成功返回，在酒泉卫星发射中心附近的东风着陆场顺利着陆，三名航天员已出舱。陈冬、刘洋和蔡旭哲结束了长达6个月的太空＂出差＂生活，终于回到了地球。而这也是继17年前的神舟6号之后，再一次执行夜间着陆。
　　神舟十四号成功着陆
　　航天员刘洋出舱
　　不知大家有没有注意到，以往的神舟飞船在落地的一瞬间，返回舱底部会冒出一道火光，随后扬起烟尘，飞船就停在了地面上，神舟十四这次也不例外。这难道是出什么故障了吗？
　　以往的神舟飞船落地瞬间都会启动反推发动机
　　神舟14着陆时的火光
　　当然不是！这道火光是返回舱底部的4台反推火箭发动机发出的，它们承担着重要的使命，只有它们在距地面1米左右的高度精准启动，才能保证航天员顺利着陆并且不会受伤。而在飞船着陆之后，搜救人员还要赶紧用一个盖子盖住返回舱底部的某个位置，这是用来屏蔽伽马放射源的，也和反推发动机启动有关。
　　很多网友会比较疑惑：飞船已经有那么大的降落伞了，为什么到最后还要来这么＂一哆嗦＂呢？这其实是一项非常高端的科技，要弄清楚它的原理，先得了解一下飞船的整个返回过程。
　　反推发动机会吹起烟尘
　　神舟十四号飞船是经典的三舱结构，分别是轨道舱、返回舱和推进舱（服务舱），而最终返回地面的只有航天员所在的返回舱。当飞船与空间站分离之后，并不会立即返回大气层，而是会先在轨道上绕几圈。我国空间站的轨道高度是400公里，倾角41.5度，它在星下点在地面上的轨迹是一条波浪线，这是因为地球在自转的缘故。
　　我国空间站和飞船的星下点轨迹
　　因此神舟十四号必须找到一个合适的时机，才能保证在地球自转的影响下，减速进入大气层后恰好落在首选的着陆场——东风着陆场。如果错过了这个时机，那就只能再继续调整了。神舟十二号在离轨前就绕地球转了18圈，而从离轨到着陆只用了51分钟，整个返回过程总共花了28个小时。神舟十三号应用了快速返回技术，只转了5圈多就离轨，49分钟后落地，总用时仅9个小时。
　　神舟十四开始制动时位于南大西洋上空
　　神舟十四号使用的也是快速返回技术，因此与空间站分离后大约绕地球5.5圈就会开始制动。在重新进入大气层之前，神舟十四号还要与轨道舱分离，这个轨道舱还会在轨道上再呆一个时期，就如同一个卫星。
　　轨道舱与飞船分离
　　而飞船重返大气层的动力来自推进舱，为了减速，飞船会调整姿态，将推进舱的发动机喷口朝向前方，再启动发动机减速制动，这时候神舟十四号位于南大西洋上空。随着速度越来越慢，飞船就会脱离轨道，进入再入大气层的路径。而在推进舱完成它的使命后，也会被抛弃，只留下像一口大钟形状的返回舱，此时飞船距地面约140公里。
　　抛掉推进舱
　　随着飞船的高度越来越低，在每秒几公里的高速下，返回舱会和越来越稠密的大气发生剧烈的摩擦并减速，温度也会迅速升高到2000℃以上，如同一颗拖着火焰的流星。由于等离子体的屏蔽作用，有一段时间无法与外界通讯，这就是＂黑障＂阶段。
　　飞船进入黑障区
　　此时飞船的姿态是把底部的防热大底朝向前方，承受高温的烧蚀，而大钟一样的外形可以使返回舱在这种情况下保持稳定，不会翻滚。
　　返回舱与空气摩擦产生高温
　　钟形可以使返回舱在空气制动时保持稳定
　　在空气摩擦制动的作用下，飞船的速度迅速下降，在距地面约40公里时，黑障的效果消失，通讯恢复。返回舱的降落伞舱盖和防热大底会被抛掉，然后先放出一顶比较小的引导伞，它会带出后面的减速伞，将速度由200米/秒降到90米/秒。之后减速伞被抛掉，硕大的主降落伞才会张开。
　　回收着陆过程
　　神舟飞船的主伞采用的是单伞方式，面积达到了1200平方米，是世界上最大的降落伞，重量却仅有90多公斤。这顶主降落伞能把返回舱的速度降到7~8米/秒，并向最终的着陆点飘去。这个速度还是比较讲究的，如果太慢的话，受风力影响比较严重，着陆精度会下降，增加了地面搜救的难度。如果太快的话，着陆的冲击又会过大。
　　神舟飞船巨大的
　　但此时返回舱的时速仍有28公里左右，如果以这个速度直接触地，那就相当于骑着一辆电动自行车全速撞墙，很有可能对航天员造成伤害，因此还需要最后一次减速。而这最后一推的主角就是前面提到的反推发动机。它采用固体燃料，安装在返回舱底部，共有4台，每台可提供约3吨的推力。
　　在返回舱即将触地的一刹那，4台反推火箭同时工作，冒出耀眼的火光。十几吨的推力瞬间就将飞船速度从8米/秒降到了2米/秒，以这样的速度落地，再加上内部座椅的缓冲作用，航天员的安全就有保障了。但是反推发动机点火的时机就变得非常重要，必须在距地面1米高度启动，早了晚了都不行，这是为什么呢？
　　反推发动机启动瞬间
　　如果点火太早，由于固体火箭燃料有限，一下子就烧完了，这时返回舱还处在一个比较高的高度，在自由落体过程中又会重新加速，导致着陆速度过大。如果点火太晚，那又会导致减速时间不足，来不及把速度降下来就触地，同样会给航天员带来风险。因此这个点火时机必须掌握得非常精确。
　　反推时机必须精准，不能高也不能低
　　这就产生了一个难题：如何才能判断飞船出距离地面的高度呢？测高的方法原本有很多种，比如初中就学过的气压法，通过大气压的变化来判断海拔高度，但缺点是精度实在太低了。对于气压高度计来说，1米的高差根本不会使气压发生明显的变化，况且气压和海拔有关，但你并不知道着陆点的精确海拔是多少。
　　气压测高不可行，我们还可以考虑无线电高度计，原理和雷达差不多。无线电高度计向地面发出无线电波，并接收回波，再利用调频的方法，通过计算回波的频率差值来得到高度。民航飞机在2500英尺（762米）高度以下时会使用无线电高度计来测高，但是飞船反推测高需要的精度达到了厘米级，还要距地面1米处工作，大大超出了无线电高度计的能力。
　　民航飞机使用无线电高度计
　　这时我们可以采取提高电波频率的方法。激光的频率远高于无线电波，我国的嫦娥四号月球探测器就安装了激光测距敏感器，从距月面30公里到15米的高度上，可以达到6厘米的测距精度，精度是够用了。但是在15米以下的高度，特别是只用1米左右时，激光测距也表示无能为力。
　　嫦娥四号采用激光测距
　　那么假如我们进一步提高频率呢？电磁波中频率最高的就是伽马（γ）射线，而它确实可以用来测高，这就是神舟十四飞船使用的伽马射线高度计。在返回舱的底部有一个放射性的伽马射线源，向地面发出一束伽马射线，这些伽马光子到达地面后会向四面八方散射，然后飞船再接收反射回来的伽马光子。
　　如果距离太远的话，只有很少的光子能够被反射回来，绝大部分都跑掉了。但随着距离越来越近，近到1米左右时，接收到的伽马光子数量会急剧增加，而且读数对高度非常敏感，可以达到极高的测距精度。以俄罗斯＂联盟TMA＂飞船为例，可以0.6~0.9米高度上实现4厘米的测距精度，而我国的神舟飞船至少不会比俄罗斯的产品差。
　　伽马射线高度计的原理
　　当伽马射线高度计发现已经下降到1米左右的指定高度后，会在20毫秒内向反推发动机发出点火信号，精准启动反推。正因为有了这个神器，才保障了神舟十四号飞船和3名航天员的平安归来。不过由于需要使用伽马射线源，里面装有放射性物质，因此在返回舱着陆之后要迅速的用一个特制的屏蔽盖子把放射源盖住，以免地面人员受到射线伤害，过后还要取出来放到专用容器中储存。
　　其它神舟飞船着陆后的场景，能看到底部被加了个小盖子
　　讲到这里，我想有些网友又会产生疑问：中俄的飞船都使用反推着陆，那美国的飞船用什么呢？他们还真不用这个技术。随着航天飞机的退役，美国的载人航天又回到了飞船时代，不过不管是60年前的阿波罗飞船，还是现在的载人龙飞船，都没有伽马射线高度计，难道美国飞船不怕摔？
　　那当然不是，美国载人飞船的着陆方式无一例外都是在海上溅落。所谓溅落就是飞船在降落伞减速之后，直接落在海面上，＂溅＂起一身水。由于海水具有很强的缓冲作用，所以返回舱可以不用很精确的测距，呯得一声掉进水里就完事了，然后再用小艇或直升机把航天员接走，或者把返回舱整个拖上船，航天员再出舱。
　　龙飞船在海上降落
　　海上溅落的好处非常多，除了不用精确测高之外，还省去了反推发动机和燃料重量，对飞船总体设计带来了好处。另外地球表面70%的面积都是海洋，飞船在选择着陆区的时候也比较灵活。既然溅落有这么多优势，为什么中俄却不约而同地选择了难度更高的陆上着陆呢？
　　这是由于中俄在海洋上的力量还不像美国那样强大。美国的军事基地遍布全球，海军拥有十几艘航空母舰，还有很多两栖攻击舰，可以方便地部署在地球上的大部分海域，并且不怕别人干扰。但我国在海外军事基地方面无法和美国相比，要想在海上溅落，需要出动一支庞大的舰队保护着陆区，期间肯定有其它势力的干扰，耗费的人力物力将是惊人的。
　　打捞龙飞船
　　所以我国选择了更为稳妥的陆上着陆方式，规避了海上溅落的风险。我国大西北拥有广袤的草原和沙漠，陆上着陆的场地不是问题，又掌握了反推着陆技术，自然比在海上要安全得多。但是反推着陆虽然是高科技，也有它的缺陷，那就是飞船触地的缓冲不如海水那么好，会对返回舱构成一定损伤，从而无法再重复使用了。SpaceX的龙飞船采用溅落方式，就可以重复使用。
　　龙飞船航天员出舱
　　神舟飞船是一次性飞船，重复使用的问题不用考虑。但未来的新一代飞船就具备回收复用的能力，因此就不能再采用反推着陆方式，而是换成了群伞+气囊，气囊可以为返回舱提供很好的缓冲，经过维护之后就可以再一次使用。
　　新飞船采用群伞+气囊缓冲
　　返回后的新一代载人飞船试验船，能看到底部的气囊
　　现在新飞船已经进行过一次飞行试验，验证了气囊缓冲的有效性。相信在不久的将来，我们就不会再看到飞船着陆时的火光了。
　　#神十四航天员乘组将踏上回家之旅##头条创作挑战赛#