神十三完美着陆！伽马高度计：究竟有多重要？美国为何不需要？

神十三完美着陆！伽马高度计：究竟有多重要？美国为何不需要？

原创2022-04-16 13:11·星辰大海路上的种花家

神舟十三号飞船已经返回，航天员也已经出舱，不过各位看得比较仔细的朋友已经发现了一个问题，和前几次返回着陆时的返回舱满地滚不一样，这次是直立状态下稳稳的在东风着陆场的戈壁滩上。

返回舱直立，神六以来第一次！

为什么以前都滚在地上，这次能直立状态？到底是运气还是技术？下文做个简单的分析。

神舟十二返回

着陆姿态和哪些因素有关？

从9:05分减速离轨开始，到145千米处抛掉推进舱，再到80千米处进入黑障，然后再是40千米处出黑障，最后在10千米处开伞，到着陆，然后开启反推发动机软着陆，就如如下图解：

在这个过程中，与着陆姿态影响有影响只有10千米以下的那段，因为此时的飞船姿态和降落伞以及当时的风速有关，据气象预报称，东风着陆场的风速为每秒8米，算是比较大的风了，在强风下，降落伞会被吹跑。

在空中的姿态时就会左右摇晃得厉害，如果是在“摇头晃脑”情况下着陆，那么翻倒的概率还是挺大的，当然更关键的是着陆后的动作，此时飞船的下部已经固定，上半部分还被降落伞绳吊着，因此大风如果将伞刮走的话，甚至可能拖着飞船满地滚。

那么该怎么办呢？切伞！在飞船落地后，但伞尚未被刮跑时就要果断切伞，因为此时降落伞已经没有用处了，切掉后飞船就会稳稳的停留在远处了。

但这个过程技术和运气的占比都比较大，首先是切伞的时机是由航天员自己控制的，落地后对位置自身状态的判断以及反应能力是一个考验。

另一个问题则是落地位置，如果落地位置平稳，那么钟形飞船的重心本来就比较低，它却是可以保持在直立状态，但一旦落地位置是个斜坡，那么就有可能继续滚落，一直到稳定状态。

因此就这个落地直立状态而言，只能说技术加上运气，侥幸的成分还是比较大的，之所以大家追求直立状态是因为航天员适应了无重力环境，到地球上后半躺着比较舒服，而直立状态的飞船内，航天员就是半躺着的。

伽马高度计：对返回究竟有多重要？

对于飞船落地的看点中最重要的几个阶段，黑障阶段，拉着一条长长的“火焰”返回地球，然后开伞，晃悠悠落下，最后就是落地前1米高度时的发动机反推，地面冒气一阵烟雾，反推发动机准确打开，飞船速度降到2米/秒以下，软着陆成功！

飞船怎么知道距离地面还有1米高？

相信很多朋友都嗤之以鼻，无线电高度计不就可以了么？这个有什么难度，随便什么飞机上都有个无线电高度计，这还要大吹特吹吗？其实完全不是各位想象的那样，且看下文简单来说说，为何飞船的伽马高度计要求那么高！

飞船着陆系统是在10千米高度被激活的，其过程大概如下：

从出黑障开始后，返回舱一直都是自由下落，到距地面10千米高度时，静压高度控制器判断高度，发出回收系统启动信号，回收着陆系统开始工作。

静压高度控制器是程序控制的子系统，它与回收配电器、火工控制器、程序控制器、行程开关等分工配合，控制不同的功能，发出程序控制指令信号给执行机构完成规定的弹伞舱盖拉引导伞、拉减速伞、减速伞分离拉主伞、主伞解除收口、抛防热大底、转垂挂等一系列不可逆的动作，每个环节必须精准无误，其中高度为最重要的判断依据。

而在这些动作之后最关键的一点是在距离地面1米高位置时打开反推，此时的飞船大约以8~10米的速度下落，四台发动机精准开机，产生月12吨的推力，将这个数吨重的着陆飞船速度降低到2米/秒以内，保证航天员平稳着陆不受伤。

因此高度的精确判断就成为了飞船回收是否成功的重要数据，获取高度也成了一个重要的课题，用什么高度计最准确、体积小而且稳定可靠重量也轻呢？

那种高度仪合适？

气压高度计显示不行的，因为它指标是和海平面之间的压差来判断高度，不仅会受到当地气压环境影响，比如高气压控制火灾台风时的低气压环境，而且还会受到地面高度的影响，比如青藏高原平均海拔4千米，但已经在地面上了，另一个则是气压高度计精度误差太大。

那么无线电高度计呢？这个无线电波射向地面再返回两个行程中光速时间差的二分之一计算的，对于很小高度上的测高数值差异也不大，但这对飞机这种飞行器是满足要求的，而对于飞船这种要求在1M高度准确感知要求却相去甚远，误差还是太大。

更高精度的测高则是激光高度计，比如嫦娥五号在距离月面30千米高度时的误差只有60毫米，另一种高度仪则是伽马射线高度仪，这个不仅准确度极高，而且穿透力也非常强，和激光高度仪相比，其近距离测高尤其适合。

为什么？原因也很简单，伽马射线这种高度计装置会向地面发射γ光子，并接收散射回的光子。距离很远时由于散射太大，返回的光子很少，随着距离越来越小，散射就变小了，到最后几乎都反射回来。

那么可以设计一种能在1米高度时达到一个阈值，然后检测这个阈值即可知道距离有多高了，其精度完全可以满足载人航天的需求。

伽马射线高度仪：从进口到国产

我国自主研制的伽马射线高度测量仪器在返回舱临近地面时的测高发挥了至关重要的作用，它可以在距离地面1米的高度上进行误差仅为40毫米的精确测量，光明网在2020年5月2日发布一篇标题为《真·“拼命三郎”》的稿子，介绍了我国伽马射线高度仪的研发过程。

神舟一号到神舟七号，伽马射线高度仪一直引进使用国外产品，成为飞船上唯一没有实现国产化的关键单机设备。从2000年初，王征和他的团队，埋头苦干，刻苦钻研，解决了神舟八号返回舱“软着陆”等科技难题，此后的伽马射线高度仪就变成了纯国产。

而且嫦娥四号与五号等月面着陆的航天器也用上了国产的伽马射线高度仪，稳定可靠，精确控制，在这些航天技术突破的背后，都有数不清的科学家在背后努力！

美国为何不用？

有很多文章的标题中就是美国人不用，其实我们相信美国人也是用的，比如美国人的火星探测器着陆，这是必定要用的设备，美国人没有理由不用，但美国的载人航天却不需要，这究竟是什么原因呢？

原因很简单，美国人的飞船着陆地是大西洋，飞船在降落伞减速后的速度在8~10米/秒左右，然后直接溅落海面，提供了缓冲的过程，所以既不要着陆反推发动机，也不需要伽马射线高度仪，这一点你没法和美国比，因为美国周围都是海洋，而我国无论是东部还是南部，作为回收场都太狭小，而广袤的西北很合适却是陆地。

因此从航天入门来看，我国就比美国要高得多！不过也不是着陆反推发动机是唯一选项，我国新一代飞船不仅外观大改，而且着陆的缓冲也从发动机改成气垫，当然无论是发动机还是气垫，目的都是保证航天员平安归来。