舱落人到！天地协同技术保障航天员安全返回

　　4月16日9时56分，神舟十三号载人飞船返回舱携带翟志刚、王亚平、叶光富3名航天员在东风着陆场预定区域成功着陆，完成了在天宫空间站执行长达半年的飞行任务，这也是我国航天史上最长时间的太空＂出差＂。
　　神舟十三号载人飞船返回舱着陆瞬间
　　众所周知，航天员是天之骄子，为保障他们安全返回地球，苏联/俄罗斯、美国和中国等具备载人航天能力的国家都采取了各种措施。那么，为保障航天员安全返回地球，在技术上都有哪些亮点和进步呢？
　　返回关键当属测控
　　截至目前，世界上只有苏联/俄罗斯、美国和中国独立掌握了载人航天技术，各自都建有载人航天系统。
　　载人航天不仅技术复杂，还投资大、风险高。载人任务的风险不仅存在于飞船发射和在轨飞行阶段，飞船返回阶段也是重中之重。保障飞船的安全返回，测控和通信系统十分关键。
　　测控和通信是确保载人飞船返回的关键
　　测控通信系统是载人航天系统的关键设备，承担着对空间站和飞船的飞行轨道、飞行姿态以及工作状态的测量监视和控制任务，是天地联系的唯一手段。
　　早期载人航天测控系统分别由单脉冲雷达、遥测、通信以及电视等多个子系统组成。由于是各自使用不同的波段，飞船需要安装多种发射和接收机，增加了飞船设备的重量和功耗，操作起来也很麻烦。
　　上世纪60年代，美国为阿波罗载人登月计划开发了统一的S波段测控系统（USB）。这种综合测控系统将跟踪、遥测和控制等信号调制在同一无线电载波上，不仅减少了飞船通信设备的数量和重量，也简化了测控操作，提高了测控体系的性能。
　　＂阿波罗＂计划后，欧空局和日本等组织和国家纷纷建立了USB测控系统或将原先的测控系统升级为USB测控系统。我国921载人航天工程也从一开始就确定建立了USB测控系统，为神舟载人飞船的飞行和返回保驾护航。
　　载人航天测控通信系统初期由陆地测控站和海上测控船组成，但测控系统覆盖的飞船轨道弧段有限。载人飞船要返回，必须在陆上测控站或海上测控船覆盖范围内发送控制指令，因此，测控站的位置限制了飞船返回窗口。
　　随着测控通信技术的发展，诞生了革命性的跟踪与数据中继卫星。使用卫星提供数据中继和跟踪测轨服务，3颗中继卫星即可覆盖飞船和空间站的全部轨道，为飞船飞行和返回提供了空前的覆盖率和可靠性，极大地提高了飞船返回的安全性。
　　目前，美国拥有最完善的跟踪与数据中继卫星，欧空局和日本也有自己的跟踪与数据中继卫星，我国也建立了天链中继卫星系统，实现了对神舟载人飞船轨道测控的全面覆盖，提高了飞船返回的灵活性和安全性。
　　快速返回提高舒适性
　　此次神舟十三号载人飞船首次采用了快速返回模式，将过去1天多的返回时间大幅缩短，进一步提高了航天员的舒适度。与此同时，采用快速返回模式不仅缩短了飞船的独立飞行时间，也降低了发生意外的概率，有利于提高航天员返回的安全性。
　　神舟十三号载人飞船轨返分离
　　神舟十三号载人飞船返回舱再入大气层
　　苏联/俄罗斯、美国和中国都建设有供载人飞船返回的固定着陆场，但由于着陆场的限制，载人飞船和空间站分离后，不能立即点火制动返回地球，而是要围绕地球轨道继续飞行，等到轨道正好经过着陆场上空，也就是出现合适的返回窗口，才能点火制动踏上回家的路，这种漫长的等待时间无疑会增加航天员的疲劳与不适。
　　随着技术的发展，载人飞船可以自由选择脱离空间站时间和返回时间，但也对轨道控制提出了更高要求，要具备更好的测轨定轨和控制能力。
　　我国原先的神舟载人飞船和空间站分离后需要1天左右才会返回地面，而美国SpaceX公司的载人龙飞船的返回时间也不短。例如，首次载人对接国际空间站的Demo-2任务中，该飞船于2020年8月1日23时35分与国际空间站分离，但溅落到海面已经是8月2日18时46分，返回时间长达19小时11分。
　　为减少航天员在飞船返回舱内停留的时间，SpaceX公司在后续任务中也缩短了返回时间。例如，在Crew-1载人飞行任务中，飞船于2021年5月2日零时35分与国际空间站分离，溅落到海面是同一天的6时56分，返回时间缩短到6小时21分。
　　苏联/俄罗斯的联盟号载人飞船为提高航天员返回的舒适性，从一开始就力求缩短返回窗口实现快速返回地球。例如，苏联对接礼炮1号空间站的联盟十一号载人飞船，它在和空间站分离后不到5个小时就安全着陆地面。新一代联盟号载人飞船将返回地面的时间进一步缩短。例如，礼炮六号空间站阶段的联盟T-4载人飞船，从9时20分分离空间站到12时37分落地，返回时间只用了3小时17分。
　　联盟号载人飞船撤离国际空间站可快速返回地球
　　如今，俄罗斯现役的联盟号载人飞船为提高航天员的舒适度和安全性，一般都采用快速返回模式。
　　精准着陆确保航天员安全
　　航天员乘坐的飞船返回舱安全降落地面并不是任务的结束，航天员和地面搜救队伍汇合才算安全回家。
　　搜救人员快速抵达神舟十三号飞船返回舱现场
　　早期载人飞船使用弹道式再入方案，导致落点精度很低。飞船返回舱和预定落点距离远，意味着搜救队伍和返回舱的距离也远，搜救队伍要花费很大精力去寻找载有航天员的返回舱。同时，返回舱降落到不可控的地方，也会为航天员带来一定的安全问题。
　　人类第一位航天员加加林就是典型。他乘坐的东方一号载人飞船再入返回时，由于返回舱制动系统失灵，他落到了距离预定落区100多公里的田野上，好在搜救队伍在返回舱落地1个多小时后就找到了他。
　　不是每个人都有好运气。1965年，在苏联＂上升二号＂任务中，虽然列昂诺夫实现了人类首次太空行走，但他在返回时就很不顺利，由于飞船制动发动机失灵，他又绕地球飞行一圈后启动手动返回模式，落到了南乌拉尔地区皮尔姆的原始森林里，偏离预定落区386公里。他不得不用随身携带的手枪开火吓跑野狼和黑熊，并在寒冷的气温中度过了一个艰难的夜晚后才等到姗姗来迟的地面搜救队。
　　随着载人飞船可靠性的提高和半弹道再入技术的应用，以及航天飞机使用的升力式再入，载人航天器再入降落的精度已经提升到很高水平。
　　如今，俄罗斯联盟号载人飞船的预定落点和实际落点的偏差只有几公里到十几公里，地面搜救队伍乘坐直升机和车辆能很快达到现场，航天员基本没有了在野外长时间等待的危险。
　　俄罗斯联盟号载人飞船返回舱着陆瞬间
　　俄罗斯搜救人员第一时间将航天员转移
　　美国SpaceX公司的载人龙飞船的落点精度在1公里左右，可以做到返回舱还没有降落到海面，搜救队伍乘坐的船只就已经到达预定海域。这样的落点精度和反应速度，更不用担心飞船返回舱进水等意外事情发生。
　　2021年9月17日，我国神舟十二号载人飞船的返回舱在东风着陆场预定区域着陆时，其落点精度也大大提高，已经能做到舱落人到，及时保证了航天员的安全。
　　神舟十二号载人飞船做到舱落机降
　　总之，载人航天生命攸关，载人飞船采取多种措施保障航天员的生命安全。从测控通信到快速返回，从精准降落到快速搜救，都显著提高了航天员返回阶段的安全性。
　　文/张雪松