科学好故事|从太空返回地球的惊险之旅

来源：Wired

撰写：特里·维茨（Terry Virts）

翻译：任天

我是美国国家航空航天局（NASA）的前宇航员特里·弗茨（Terry Virts），曾参与过多次太空任务。我曾经驾驶航天飞机进入跑道，也曾乘坐联盟号返回地面。今天，我将为大家讲述我从太空返回地球时的惊险之旅。

飞向太空

如果想让宇宙飞船离开轨道返回地球，有几个关键的步骤是必须要做到的。很显然，最重要的就是改变它的飞行路线，使其向大气层弯曲；紧接着，飞船就会遇到空气阻力，然后被地心引力无情地带回到地面。其次，飞船必须承受重返大气层时的极端高温。在飞机上改变飞行航迹倾角是一件相对容易的事情；向前推操纵杆，升降舱的气压会使飞机的机头下降，距离地面就越来越近了。如果把操纵杆往后拉，地面上的景物又会再次变小。

然而，在太空中该怎么做？我们要感谢艾萨克·牛顿爵士。从他的理论中，我们学到了一个非常有用的技巧，可以让宇航员返回地面。轨道力学决定了航天器在太空中的一次运动，要想改变方向（向左或向右），就需要很高的“ΔV”，也就是“速度的变化”。因此，改变倾角或朝向是非常低效的。大多数人类飞船所携带的火箭燃料仅能使其航向向左或向右改变零点几度。好消息是，我们不需要向左或向右移动，只需要向下就能回到地球。这就是那个有用的技巧——如果放慢速度，轨道就会下降。相反，加速会使飞船的轨道上升。这个技巧需要的ΔV比改变倾角所需的要少得多。

我的航天事业始于奋进号（Endeavour）航天飞机，作为STS-130任务的飞行员，我们在2010年交付了国际空间站装配序列的最后两个模块——宁静号的节点舱和穹顶舱。几年后，我乘坐俄罗斯的联盟号飞船重返国际空间站。当航天飞机和联盟号要返回地球时，我们将飞船调转方向，启动引擎几分钟，将速度降低到每小时几百英里，我们的轨道飞行轨迹向下弯曲，朝向地球。这将使飞船进入大气层，与最终的着陆点发生不可避免的碰撞。当火箭点火时，可以说是一次温和的飞行，加速度只有零点几g，一点也不像好莱坞电影里宇航员尖叫和被撞到座位上的场景（这是发射期间发生的事情）。火箭燃烧结束后，我们有一些放松的时间，享受最后几分钟的失重状态。在大约20分钟后，飞船将在所谓“进入界面”（entry interface，简称EI）接触到大气层，随后就再也没有放松的感觉了。

正是在进入界面，航天飞机和联盟号的经历发生了分歧，体现了二者设计上巨大的不同。航天飞机是一架宏伟的飞行机器，大约有客机那么大，一旦回到大气层，它就能像普通飞机一样倾斜、转弯和机动飞行。与客机不同的是，航天飞机以每小时约17500英里（约合28000公里）的速度飞行，周围被等离子体包裹，其温度甚至与太阳不相上下。这些等离子体是由巨大的航天飞机与高层稀薄大气中的氧气和氮气分子发生难以形容的摩擦而产生的。

即翻转又俯冲，奋进号依旧是我经历过的最棒的一次航天飞机着陆

2010年2月，奋进号航天飞机返回地球的那个晚上，从飞行员座位上看到的景象非常壮观。一开始，有一束柔和的粉色光芒出现在窗外，然后开始辐射亮橙色，然后是红色，并伴随着头顶窗口上方的白光闪烁，这让我想起电影《异形》中的场景，闪光灯不停闪烁，而飞船正准备自毁。

这是我最后阶段的任务，都是在黑暗中进行的，因此我能看到色彩丰富的等离子体中每一处细微差别。等离子体终于变成了灰色，我抬起头盔面罩，向窗户靠了过去。等离子体像池塘里的漩涡和水流一样慢慢地旋转着。我伸出手，把手从手套里抽出来，摸了摸窗户，令人惊讶的是，窗户一点也不热。最奇怪的是有一个非常清晰而微弱的声音，就像指尖轻敲柜台的声音。我以为会是燃烧或空气冲击的声音。

具有讽刺意味的是，当奋进号因不断增加的气压而继续减速时，我脑子里的东西却开始加速了。航天飞机的机翼所感受到的空速（气流速度）逐渐增加，加速度的负荷也增加到大约1.5 g。由于轨道跟踪系统并没有将我们精确地带到肯尼迪航天中心的跑道上，我们不得不利用航天飞机的大机翼，进行了几次S形翻转，以飞向目的地。我们的第一次翻转——将航天飞机从左转到右——发生在中美洲上空，当时我向窗外瞥了一眼，想看一眼下面飞驰而过的地面，但一切都在黑暗中，除了城市的少数灯光，我什么都看不见。

当我们下降时，奋进号显示的空速（本质上就是气压）在稳步上升，而高度和马赫数在下降（马赫数1即音速，马赫数5即音速的5倍，以此类推）。由于我们在着陆前几分钟仍然处于超音速，因此下方佛罗里达州的人们就听到了一种非常独特的双音爆——来自航天飞机以超音速撞向空气分子时产生的冲击波，听起来就像爆炸一样。当我们开始最后一次翻转，然后与跑道对齐时，Zambo（我们的指挥官乔治·赞姆卡）就让我驾驶奋进号飞行了几分钟。作为一名试飞员，这是我职业生涯的亮点之一。

我们的“火箭-翻转-飞船-翻转-飞机”系统的飞行性能并不好。它有所谓的调和问题，在翻滚方面非常缓慢，但在俯仰方面却非常灵敏。它还有一个与三角翼飞机相同的古怪特征——如果你将操纵杆向后拉以爬升，它的高度首先会下降一点，然后随着机翼获得更多空气，它才最终爬升。在高海拔地区，这并不是什么大问题，但在跑道上着陆前的最后几英尺，这会成为一个严重的陷阱，航天飞机的飞行员需要经过广泛的训练才能避免，因为突然发出拉高指令会导致骤然触地。在这几分钟的操控时间里，我的工作是让航天飞机保持在电脑指引所命令的中心位置。在我的短暂辉煌时刻之后，Zambo重新控制了奋进号，进行最后的进近和着陆。

作为PLT（飞行员），我的下一份工作是当啦啦队员，也就是当我们在外滑翔航线上执行相当于20度俯冲轰炸式的飞行路线时，我大声地喊出高度和飞行速度。当我们离着陆点还有2000英尺的时候，Zambo缓慢地拉起飞机，瞄准跑道，进行1.5度的内滑翔。在300英尺的高度，我放下了起落架，这是整个任务中最重要的任务。Zambo使着陆的过程十分平顺，非常完美，我偶尔会提醒他，这是我经历过的最棒的一次航天飞机着陆。当然，这也是唯一的一次。不过，当他把前起落架以适当的速度精确地降落到跑道上时，还需要进行相当多的驾驶工作；如果操作失误，可能会导致猛烈的撞击，机身会破裂。我们以将近每小时200英里的速度在跑道上狂飙，最终，Zambo把这架重达220000磅（约合100吨）的航天飞机停在了中心线上，我打开了降落伞使其减速。与此同时，一股火焰从轨道飞行器的尾部喷涌而出，那里是火箭燃料驱动的液压泵排出废气的地方。STS-130着陆的视频看起来就像电影《疯狂的麦克斯》（Mad Max）里的场景。当我们减速到每小时不到50英里时，我丢掉了降落伞，不久之后，Zambo发出无线电呼叫：“休斯敦，奋进号，车轮停止。”我们终于可以再次畅快地呼吸了。

联盟号的“心跳”返程

我更愿意把乘坐航天飞机着陆的经历比作是一次漂亮、平稳的空军着陆。但现，在让我们回到距地球表面40万英尺（约合122千米）的进入界面，聊一聊搭乘联盟号返回地球的感觉。我需要用不同的形容词来描述那次经历。如果说坐在航天飞机里返回地球就像乘坐客机，那么搭乘联盟号就更像是驾驶着一个保龄球。

第一个明显的不同发生在进入界面结束后不久，重新进入大气层的时候。这一次发生在白天。联盟号、阿波罗号、SpaceX龙飞船和波音CST-100等太空舱都会像飞机一样使用倾斜角转弯，不过效率要低得多。尽管航天飞机的横向航程超过1000英里，但从轨道返回的太空舱通常只能向左或向右转50英里。当我们在非洲上空疾驰的时候，我们会向右倾斜；我从舱口往下看，发现我们移动得太快了！在距地球250英里的轨道上，你不会注意到自己的速度，但那时，我们只高出沙漠和山脉50英里，而且仍然以每秒几英里的速度飞驰而过。这一场景给我留下的印象太深刻了，以至于我在膝板上写下了一些看不懂的笔记，试图在那狭小的太空舱和笨重的宇航服中，勾勒出眼前稍纵即逝的景观。

此时的进入界面阶段也有很大的不同。尽管我在窗外同样看到了红色/橙色/粉红色辉光，但联盟号要猛烈得多。首先，联盟号在进入界面前几分钟的一次大爆炸中分成了三个部分：1个空轨道舱、我们所在的下降舱和1个无人服务舱。在进入大气层后，联盟号外部的隔热层烧掉了。我从来没有坐过在飞行期间会完全分离的飞行器，幸运的是这是按设计进行的。“我希望这种解体能最终停止”的想法确实在我脑海中浮现，但无论何种情况我都无能为力。当我看到隔热层的碎片（谁知道还有什么）从窗口附近飞过时，不断传来撕裂和砰砰作响的声音。然后是降落伞。之前有过经验的同事给我们做了一个简要介绍，他们基本上是说，“你会觉得自己快要死了，但不用担心，你不会的”。你知道吗？我确实感觉我们都快死了。但是，多亏了那份简报，我的意大利伙伴萨曼莎·克里斯托弗雷蒂（Samantha Cristoforetti），我的伙伴安东·施卡普列罗夫（Anton Shkaplerov），也是联盟号指挥官，还有我，当阻力伞打开的时候都兴奋得不能自已。我们用俄语大喊大叫，“Rooskiy gorkiy！”，意思是“疯狂的过山车！”在F-16圈子里，我们会称这个飞行阶段为“疯狂大冒险”（Mr。 Toad’s wild ride）。 翻滚持续了几分钟，直到主降落伞打开后，我们才稳定下来，回到1g的水平。

接下来是等待，余下的几千英尺中，我们缓慢下降，即将落在哈萨克草原上。就在一切似乎都平静下来的时候，座位猛地从飞船底部抬起了大约1英尺。这其实是一个减震器，可以稍微缓冲一下撞击。每个船员都有适合自己身体的座椅；大约两年前，我的座椅就在莫斯科附近的Energia工厂浇铸成型。在这个过程中，你要穿上白色的长内衣，覆盖你所有的皮肤，然后用吊车放到湿漉漉的石膏上。当石膏最终定型，他们就会把你拉出来，瞧，现在你就有了为你量身定做的座椅衬垫。当俄罗斯技术人员完成这个座椅时，他们在你的头盔上方手工开辟出额外的空间，而我使用了这每一寸的空间。在地球上，我的身体没有任何问题，但在太空中呆了200天之后，我长高了几英寸，而我的头顶正好碰到了座椅衬垫的顶部。

在座椅升起之前，驾驶舱已经没有多少空间了。我们都穿着笨重而又不舒服的宇航服，挤在大约相当于你汽车前座大小的空间里，每一寸空间里都塞进了小块的设备。之后，我被挤到上面，控制面板和我的脸之间大概只有1英尺的距离。我的右臂撞在了舱壁上。我的膝盖抵着胸部——你没法伸展自己的腿，因为被舱壁挡住了。我被绑得很紧，动弹不得。我右手拿着一根控制杆，它不能控制任何东西，但给了机组人员一些原始的安慰，使他们有一些表面上的控制能力，我的腿上放着一张清单。我对自己说：“好吧，我没有幽闭恐惧症，但如果在我的生活中有什么理由让我恐慌的话，那就是现在。”我想我有两个选择：一是惊慌，这样我就被牢牢绑住，动弹不得，完全没有办法；二是不惊慌，这样我还是被绑住，动弹不得，完全没有办法。我选择了第二个选项。

回到地球

一切都在同一时刻发生了。一声巨响、爆炸声、猛烈的撞击声，我似乎从座位上弹了出来，被甩到一边。联盟号在太空舱底部安装了“软着陆”火箭，目的是在撞击前的一刹那点火，但我的建议是将它们重新命名为“非撞击着陆”火箭，因为撞击的感觉是实实在在的。我可以想象，开车撞到家附近的电线杆上的感觉，可能就像联盟号飞船着陆一样。但是，除了几处轻微的瘀伤外，一体式座椅、软着陆火箭和座椅减震器的组合使着陆过程十分安全。在我们着陆并360度旋转回到直立位置后不久，舱内有人问道，“我们还活着吗？”我们三个人把手握在一起——我们活了下来，回到了我们的星球家园！

发射到太空，从0加速到每小时17500英里，乘坐一枚拖着火焰的火箭，摇晃着、咆哮着，你被压在自己的座位上……这八分半钟的太空之旅绝对是一种在地球上无可比拟的超级刺激体验。但是返回地球的旅程，缓慢地从每小时17500英里减速到每小时0英里，期间的感觉更是无比奇妙。许多国家都发射了火箭，但只有少数国家能成功地将人从太空带回家，这是有原因的。重新回到地面是非常困难的。这是一次难以置信的经历，但也很危险。如果你有机会体验这一过程，你会觉得自己快要死了，但相信我，你会没事的。