神舟十三号成功着陆，首次运用快速返回技术，有多厉害？

　　《军武次位面》作者：大伊万
　　4月16日上午10时，神舟十三号载人飞船乘组在圆满完成为期183天的空间站飞行任务后，在内蒙古四子王旗东风着陆场成功着陆，航天员翟志刚、叶光富、王亚平成功返回地面。
　　这是神舟系列飞船的第13次飞行，是中国实施的第8次载人航天飞行任务、第二次空间站飞行任务，创下了中国载人航天、空间站任务飞行时间最长、任务项目最多的纪录。
　　飞船返回技术的发展
　　此次神舟十三号返回，有一个名词一直在被提起：快速返回技术，所谓的快速返回技术，指的是神舟十三号飞船和空间站组合体分离后，将原本需要约20个小时才能完成的制动离轨段，缩减到短短4到5个小时完成，从而确保航天员能够快速返回地面。
　　看起来无非是20个小时到5个小时的差别，但事实上快速返回技术和快速对接技术一样，都属于返回对接技术的进阶。那么，快速返回技术到底是怎样做到的、人类历史上的载人航天器，都是如何返回地面的呢？
　　在大伊万的印象里，人类载人航天史上，先后出现了三代返回技术，分别是第一代的飞船再入、弹射座椅返回技术，第二代的飞船再入、降落伞减速返回技术、第三代的轨道器再入、直接降落在机场返回技术。
　　先说第一代返回技术，此代返回技术以苏联东方系列载人飞船为典型代表，主要技术特征和技术步骤是：飞船输入导航参数，载人舱段和服务舱段分离，尔后建立再入姿态，进入高层大气，利用大气层实施气动减速，待到达低层大气后，航天员启动弹射座椅弹射出舱，用降落伞降落到地面，飞船不继续减速，而是撞地坠毁。
　　这种航天员返回技术相对简单，比较适合苏联第一代载人飞船体积狭小、难以安排布置大型减速主伞的客观情况，人类历史上第一名航天员尤里加加林，就是采用这样的方式返回地面的。但是，这种靠弹射座椅弹射、使用降落伞落地的方式，可靠性和安全性非常差，对飞行员的生理和心理都是相当大的挑战。因此，很快就被全面淘汰了，只在美国的第二代载人飞船双子星飞船上，作为备用的逃逸设备被保留了下来，但也从来没有真正运用过。
　　而第二代返回技术，也即飞船再入，降落伞减速返回技术，分别被美苏两国运用在了自己的水星系列载人飞船（1962年2月实施首次地球轨道飞行）、上升系列飞船（1964年10月实施首次三人航天器飞行）上。所谓的降落伞减速返回，顾名思义，飞船实施制动离轨、多次调姿、推进舱和返回舱分离、建立再入姿态、穿过高层大气，进入低层大气后，航天员和飞船不分离，飞船上安装大型减速伞，打开减速伞后，将飞船的下降速度降低到合适的区间，并完成着陆。
　　目前，中国的神舟系列飞船，俄罗斯的联盟TM系列飞船，美国的载人龙和已经退役的阿波罗系列飞船，均采用了这一着陆方式。当然在具体的着陆参数设置和部分设计细节上，以上飞船还是有相当大的不同的：
　　以美国而言，NASA设计的载人飞船偏好海上溅落，海上溅落的优势是海水缓冲相对较好，可以相应提高飞船的再入速度，如载人登月飞船再入时，就必须选择在海上溅落；
　　同时，海上溅落对飞船返回参数的选择比较宽泛，可以选择相对较大的着陆区，甚至不用担心飞船落偏方向，在海上溅落时，飞船也不需要设计反推火箭等；
　　但是，海上溅落的劣势是飞船抗浪性较差、遭遇大风大浪容易发生沉没事故、给航天员生命安全造成威胁，如美国在水星计划中，就出现过飞船溅落时莫名其妙地弹开了舱门、沉入大海最终没有被打捞起来的问题，让航天员加斯格里森差点丢了小命。
　　而中、苏（俄）的载人飞船偏好陆地着陆，陆地着陆的优势是安全性相对较好，不用担心飞船进水沉没的问题，也不用担心海上搜救的问题。比较适合中、苏（俄）等国海军力量薄弱，对海域（对苏联来说是温暖水域）控制权不足，但陆地面积相对广大，部分地区地广人稀的现状。
　　当然，陆地返回对再入速度的要求比较高，这就要求飞船必须实施有效的制动减速，增设反推火箭，尽最大可能降低着陆速度等。总的来说，陆地着陆和海上着陆无太大的区别，也没有孰优孰劣之分，只能说中、苏（俄）、美三国都选择了适合自己的飞船回收方式。
　　机场着陆返回技术
　　尽管飞船再入，降落伞减速返回的技术，到阿波罗飞船和联盟系列飞船阶段已经完全成熟，但美苏两国在冷战的大背景下，依然没有放弃研发新一代载人航天器的着陆技术。这就是美国、苏联航天飞机轨道器采用的机场着陆返回技术：
　　以美国的航天飞机轨道器为例，在返回地面之前，经历建立再入姿态后，需要在自动驾驶设备的协助下，在高空实施一个巨大的S型转弯，这一S型转弯将帮助飞机完成减速，从24马赫降低到10马赫，再进一步降速到3。5马赫左右。
　　航天飞机再入过程的地面航迹示意图
　　此时航天飞机轨道器的飞行高度大约为30千米，并脱离黑障区域，建立和地面的通联，由正常的机场进近引导轨道器再实施一个S型转弯，完成转弯后，航天飞机轨道器将减速到亚音速，高度降低到2000米以下，最终使用正常的ILS着陆系统，在机场跑道上着陆。
　　降落在美国加利福尼亚爱德华空军基地的航迹示意图
　　但相比波音737系列客机约135节的着陆速度，航天飞机轨道器的着陆速度一般高达200节以上，对着陆系统和跑道的要求要远远高于普通的大型客机。
　　暴风雪号航天飞机
　　此外，值得一提的是，相比美国的航天飞机轨道器采用无动力滑翔着陆的方式，苏联的暴风雪航天飞机轨道器，特地安装了两部RD33型发动机，可以让它在大气层中实施机动飞行，该型航天飞机轨道器也第一次初步具备了空天飞机的雏形。
　　但是，由于航天飞机系统的制造、使用、维护价格实在太高，高到远远超过了美苏两国的承受能力。同时，作为一个复杂系统，航天飞机的成熟度始终赶不上更加可靠的载人飞船，苏联解体后，暴风雪号航天飞机以极快的速度被丢进了垃圾场，而NASA在惨淡经营了许久后，也终于在连续坠毁两架的情况下，选择了放弃航天飞机轨道器，第三代载人航天返回技术变成了昙花一现。
　　快速返回技术
　　因此，目前最为先进的载人飞船返回技术，就是基于第二代飞船再入、降落伞减速着陆技术改进的快速返回技术。所谓的快速返回技术，主要快速在飞船的制动离轨阶段，原有的飞船制动离轨阶段，需要实施两到三次变轨调姿、一次变轨减速，才能进入惯性滑行段。
　　按原有的返回程序，三次变轨调姿、一次变轨减速需要约15圈飞行、20个小时才能完成，从空间站撤离、到返回地面，大约需要1天时间，在这期间，由于飞船已进入返回阶段，故而航天员必须被固定在座椅上，无法移动，甚至也难以进食，对航天员的生理有比较大的影响。
　　而在实施快速返回程序后，变轨调姿、变轨减速可以在4圈、6个小时左右就基本完成，从航天员撤离空间站，到返回地面，可以在不到10个小时内完成。比如此次神舟十三号飞行任务，凌晨0点44分飞船与空间站组合体分离，上午10时许飞船就已经着陆，前后花了9小时多一点的时间，这背后对飞船程控、地面遥测能力的提升，是显而易见的。
　　尽管咱们的神舟系列飞船，已经实现了空间站快速对接、飞船快速返回，可以说是做到了当前载人飞船返回的最高水准。但是，未来如果我们要遂行载人登月任务，新的921载人飞船大概率要使用新的海上着陆技术，这对我们的载人航天返回技术提出了更高的挑战。
　　同时，长远来看，以航天飞机轨道器为代表的火箭发射、水平着陆返回技术，应当是未来航天飞行器返回技术的大趋势，在这方面，咱们也已经有了许多有益的探索。也许在不久的将来，我们将首先完成第三代载人航天返回技术的实用化，就让我们继续关注中国载人航天的发展吧。