神舟13号需在1米高度精准反推着陆，如何做到的？美国为何不用？

　　神舟13号飞船回家，由翟志刚、王亚平、叶光富组成的＂太空出差3人组＂，在我国空间站工作了183天，刷新了单次飞行任务太空驻留时间的纪录。
　　太空出差三人组
　　神舟13号与空间站组合体脱离，再入大气层后，会在东风着陆场着陆。相信大家能注意到：每一艘神舟飞船在落地前的一刹那，都会冒出一道火光，不了解情况的观众可能会误以为发生了爆炸，其实那不是爆炸，而是着陆反推发动机启动了。
　　反推发动机启动是整个着陆过程的一个关键步骤。神舟13号飞船的返回舱经过空气制动、降落伞减速后，在最后接触地面的一瞬间，底部安装的反推发动机会启动，完成最后的减速刹车，将飞船稳稳地落在地上。而反推发动机需要在距离地面约1米高的地方点火，不能早也不能晚，必须要非常精准，这是为什么呢？
　　反推发动机启动时机要非常精准
　　在解答这个问题之前，有必要先说说神舟13号的主降落伞。这个降落伞非常引人注目，是世界上最大的降落伞，面积达到了1200平方米，重量却只有90多公斤。如果巨大的降落伞的减速效果当然会非常好，可将飞船的下降速度降低到8~10米/秒，或者说28.8~36公里/小时，但是却不能进一步减速了。
　　这是因为如果再增加降落伞面积的话，不仅重量和体积会增加，还会加剧气流对飞船着陆过程的影响，直白一点儿说就是会被风刮跑，使得飞船偏离预定着陆点，降低着陆精度，提高了搜救的难度。
　　所以说降落伞不能无限制地增大，不过假如飞船以二三十公里的速度直接落地的话，也是不可接受的，这相当于骑着一辆电动摩托车去撞墙。由于航天员是背部朝下面朝天坐在返回舱里，如此高的着陆速度有可能损伤航天员的颈椎，因此必须进一步减速。
　　这时候就轮到反推发动机登场了！飞船装有4台反推发动机，这些发动机使用固体燃料，非常小巧，但力气并不小，每台可以产生大约3吨的推力。4台发动机一起工作，总推力达到了10多吨，足以在一刹那将下降速度降低到2米/秒，也就是人走路的速度，再加上返回舱座椅的缓冲效果，就能保证航天员的安全了。
　　飞船内的航天员（神舟12）
　　然而这些反推发动机推力虽大，却是一锤子买卖，启动之后一下子就烧完了！这就对发动机启动时机提出了极高的要求。如果启动过早，飞船还处在半空中比较高的位置，在发动机关闭之后又会在重力作用下加速下落，造成着陆速度过大。
　　而如果启动迟了一点儿，飞船还没来得及减速就会撞地，同样不能将速度控制在安全范围之内。那么何时启动反推才最合适呢？必须在飞船距地面1米左右的高度，高了低了都不行，精度要达到厘米级！这时就会出现一个难题：如果才能判断返回舱的离地高度呢？
　　如何判断离地高度是个难题
　　有网友可能会说：这还不简单？中学物理就学过海拔高度和大气压之间有关联，高度越高，大气压越低。通过测量当前的气压值，不就能测出高度了吗？这个说法不能说有错，例如飞机上就装有气压高度计，但主要问题是精度太低了，两个高度差只有1米的位置，大气压几乎是相同的，根本测不出差别，无法达到控制点火的要求。
　　况且着陆场的地形并不是完全平坦，不可能预先知道着陆点的准确海拔，因此气压测高法完全不适用于这个场合。不过我们还可以考虑另一种方法：无线电测高。一般飞机在高度2500英尺（762米）以下时，会使用无线电高度计。这个装置的原理跟雷达差不多。
　　无线电高度计向地面发出无线电波，并接收反射回波。由于光速太快，无法直接通过往返时间来算出高度。因此通常采用调频的方式，让电波的频率按一定规律随时间变化，这样接收到的回波频率就会出现一个差值，据此就能计算出距地面的高度。
　　飞机会使用无线电高度计
　　无线电高度计的测量精度高于气压高度计，可用于飞机的起降过程，但对于神舟飞船着陆的要求，即在1米高度上还能实现厘米级的精确测量，依然是力所不能及。除了无线电高度计之外，还有一种激光高度计，由于激光的频率远高于无线电波，它的测距精度会大大提高。
　　我国的嫦娥四号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，相当了不起。但是当高度进一步降低之后，激光高度计的误差也会增大，在1米高度上的测距能力也不能满足反推发动机点火所需。
　　这可怎么办呢？别急，我们的＂终极神器＂终于可以出场了，它就是γ射线高度计。这种装置会向地面发射γ光子，并接收散射回的光子。γ光子的频率远远高于激光和无线电波，以至于更像是一个粒子。
　　γ射线高度计原理
　　当这些γ光子到达地面后会产生散射，飞向四面八方。飞船高度较高时，只有很小一部分散射回来的γ光子会被γ射线高度计接收到，但是当高度降低到1米左右的近距离时，奇迹发生了：散射回来的γ光子数量会急剧增长，而且对高度非常敏感。通过测量接收到的光子数量，就可推算出当前的高度值，精确度极高。
　　以俄罗斯的联盟TMA载人飞船为例，它同样采用反堆着陆方式，所搭载的γ射线高度计在0.6~0.9米高度上，测距精度可达4厘米，而且测量的反应速度极快。其它测量方式目前还很难达到比γ射线高度计更高的水平。
　　我国神舟飞船使用的γ射线高度计是自行研制的，在历次载人飞行以及嫦娥探月任务中，都经受住了考验，表现十分优秀，其性能应不会弱于俄罗斯产品。正是在这样的＂神器＂支持下，神舟13号才有能力在即将落地的一刹那准确发出点火信号，并在20毫秒内启动反推发动机，在一闪而过的火光和烟雾之后，稳稳地降落在地面上。
　　γ射线高度计位于返回舱底部，着陆后会被盖住（神舟12）
　　说到这里，有心的网友会发现：既然要发出γ射线，返回舱上岂不是有放射源？答对了！确实有放射源，但它带有屏蔽装置，不会对舱内的航天员构成伤害。而在返回舱着陆后，地面人员会赶紧用特制的屏蔽盖将底部的高度计盖住。航天员出舱后，放射源会被取出来放到专用容器内储存。
　　现在您应该了解神舟飞船的反推着陆过程了吧？不过这里还有个疑问：中俄的载人飞船着陆方式差不太多，最后都是反推着陆，为什么另一个航天大国美国，却并没有采用这种着陆方式呢？
　　美国载人航天的着陆方式确实与中俄有巨大的差别。它的航天飞机是像飞机一样水平滑翔着陆的，可以降落在跑道上。不过航天飞机已成往事，美国现在又重拾起载人飞船的路线，目前使用SpaceX公司的龙飞船来运送宇航员往返国际空间站。
　　载人龙飞船在海上降落
　　不过不论是当年的水星、双子星、阿波罗飞船，还是现在的载人龙飞船，美国人的飞船在返回地球时都采用了同一种着陆方式：在海面上溅落。海水可以为飞船提供足够的缓冲，也就不再需要反推发动机了，节省了体积和重量。而且地球表面有70%以上是海洋，选择着陆场也比较方便，对着陆精度的要求也比较低。
　　那么问题来了：为什么中国和俄罗斯不采用海面溅落的方式呢？美国飞船在海面上降落，是因为它有着极为强大的海上实力。其军事基地遍布全球，拥有十余艘航空母舰，还有多艘两栖攻击舰，具备在全球范围内的海上搜索和救援能力。
　　但中国和俄罗斯就不同了，在海洋上的实力起码目前与美国的差距还比较大，无法有效控制海洋。用海面溅落的方式还需要出动庞大的舰队，成本高昂，而且一旦有其它势力前来骚扰，还存在一定风险。
　　俄罗斯飞船在草原上着陆
　　因此，俄罗斯选择在平坦的草原上着陆，例如哈萨克斯坦境内的大草原，而我国神舟11号及以前的飞船是在内蒙古四子王旗的着陆场，神舟12和13号则是在东风着陆场。
　　不过，神舟飞船这种＂降落伞+反推发动机＂的着陆方式，并不一定是最优选择。虽然反推发动机的体积和重量代价都比较小，但在着陆时却有可能损坏返回舱，导致飞船无法重复使用。航天器可重复使用是如今的潮流，可大幅降低成本，这个缺点是急需克服的。
　　SpaceX的龙飞船曾经想过用＂反推火箭+着陆腿＂的方式，类似于猎鹰9火箭回收，但NASA觉得风险太大，又改回了海上溅落。但海水的冲击力较小，溅落后的飞船在重复使用方面倒是也问题不大。但如果着陆场必须位于陆地上的话，怎样才能实现返回舱的可重复使用呢？
　　新一代载人飞船采用群伞+气囊缓冲
　　我国的新一代载人飞船就选择了＂多个降落伞+缓冲气囊＂的方案，在离地面较近时给气囊充气，通过柔软的气囊实现落地缓冲，同样可以减小对返回舱的损坏，实现返回舱的重复利用。这种方式占用的空间较大，适合于新一代载人飞船这种比较大的飞船。
　　新一代载人飞船的缓冲气囊
　　那么当神舟飞船退役，新一代载人飞船挑起大梁之后，γ射线高度计会不会失去用武之地呢？那倒不会，当我们探测火星、月球以及太阳系其它星球时，γ射线高度计这种极低高度测距设备还将继续大显身手。