科學好故事|從太空返回地球的驚險之旅

來源：Wired

撰寫：特里·維茨（Terry Virts）

翻譯：任天

我是美國國家航空航天局（NASA）的前宇航員特里·弗茨（Terry Virts），曾參與過多次太空任務。我曾經駕駛航天飛機進入跑道，也曾乘坐聯盟號返回地面。而今天我將爲大家講述我從太空返回地球時的驚險之旅。

飛向太空

如果想讓宇宙飛船離開軌道返回地球，有幾個關鍵的步驟是必須要做到的。很顯然，最重要的就是改變它的飛行路線，使其向大氣層彎曲；緊接着，飛船就會遇到空氣阻力，然後被地心引力無情地帶回到地面。其次，飛船必須承受重返大氣層時的極端高溫。在飛機上改變飛行航跡傾角是一件相對容易的事情；向前推操縱桿，升降艙的氣壓會使飛機的機頭下降，距離地面就越來越近了。如果把操縱桿往後拉，地面上的景物又會再次變小。

然而，在太空中該怎麼做？我們要感謝艾薩克·牛頓爵士。從他的理論中，我們學到了一個非常有用的技巧，可以讓宇航員返回地面。軌道力學決定了航天器在太空中的一次運動，要想改變方向（向左或向右），就需要很高的“ΔV”，也就是“速度的變化”。因此，改變傾角或朝向是非常低效的。大多數人類飛船所攜帶的火箭燃料僅能使其航向向左或向右改變零點幾度。好消息是，我們不需要向左或向右移動，只需要向下就能回到地球。這就是那個有用的技巧——如果放慢速度，軌道就會下降。相反，加速會使飛船的軌道上升。這個技巧需要的ΔV比改變傾角所需的要少得多。

我的航天事業始於奮進號（Endeavour）航天飛機，作爲STS-130任務的飛行員，我們在2010年交付了國際空間站裝配序列的最後兩個模塊——寧靜號的節點艙和穹頂艙。幾年後，我乘坐俄羅斯的聯盟號飛船重返國際空間站。當航天飛機和聯盟號要返回地球時，我們將飛船調轉方向，啓動引擎幾分鐘，將速度降低到每小時幾百英里，我們的軌道飛行軌跡向下彎曲，朝向地球。這將使飛船進入大氣層，與最終的着陸點發生不可避免的碰撞。當火箭點火時，可以說是一次溫和的飛行，加速度只有零點幾g，一點也不像好萊塢電影裏宇航員尖叫和被撞到座位上的場景（這是發射期間發生的事情）。火箭燃燒結束後，我們有一些放鬆的時間，享受最後幾分鐘的失重狀態。在大約20分鐘後，飛船將在所謂“進入界面”（entry interface，簡稱EI）接觸到大氣層，隨後就再也沒有放鬆的感覺了。

正是在進入界面，航天飛機和聯盟號的經歷發生了分歧，體現了二者設計上巨大的不同。航天飛機是一架宏偉的飛行機器，大約有客機那麼大，一旦回到大氣層，它就能像普通飛機一樣傾斜、轉彎和機動飛行。與客機不同的是，航天飛機以每小時約17500英里（約合28000公里）的速度飛行，周圍被等離子體包裹，其溫度甚至與太陽不相上下。這些等離子體是由巨大的航天飛機與高層稀薄大氣中的氧氣和氮氣分子發生難以形容的摩擦而產生的。

即翻轉又俯衝，奮進號依舊是我經歷過的最棒的一次航天飛機着陸

2010年2月，奮進號航天飛機返回地球的那個晚上，從飛行員座位上看到的景象非常壯觀。一開始，有一束柔和的粉色光芒出現在窗外，然後開始輻射亮橙色，然後是紅色，並伴隨着頭頂窗口上方的白光閃爍，這讓我想起電影《異形》中的場景，閃光燈不停閃爍，而飛船正準備自毀。

這是我最後階段的任務，都是在黑暗中進行的，因此我能看到色彩豐富的等離子體中每一處細微差別。等離子體終於變成了灰色，我抬起頭盔面罩，向窗戶靠了過去。等離子體像池塘裏的漩渦和水流一樣慢慢地旋轉着。我伸出手，把手從手套裏抽出來，摸了摸窗戶，令人驚訝的是，窗戶一點也不熱。最奇怪的是有一個非常清晰而微弱的聲音，就像指尖輕敲櫃檯的聲音。我以爲會是燃燒或空氣衝擊的聲音。

具有諷刺意味的是，當奮進號因不斷增加的氣壓而繼續減速時，我腦子裏的東西卻開始加速了。航天飛機的機翼所感受到的空速（氣流速度）逐漸增加，加速度的負荷也增加到大約1.5 g。由於軌道跟蹤系統並沒有將我們精確地帶到肯尼迪航天中心的跑道上，我們不得不利用航天飛機的大機翼，進行了幾次S形翻轉，以飛向目的地。我們的第一次翻轉——將航天飛機從左轉到右——發生在中美洲上空，當時我向窗外瞥了一眼，想看一眼下面飛馳而過的地面，但一切都在黑暗中，除了城市的少數燈光，我什麼都看不見。

當我們下降時，奮進號顯示的空速（本質上就是氣壓）在穩步上升，而高度和馬赫數在下降（馬赫數1即音速，馬赫數5即音速的5倍，以此類推）。由於我們在着陸前幾分鐘仍然處於超音速，因此下方佛羅里達州的人們就聽到了一種非常獨特的雙音爆——來自航天飛機以超音速撞向空氣分子時產生的衝擊波，聽起來就像爆炸一樣。當我們開始最後一次翻轉，然後與跑道對齊時，Zambo（我們的指揮官喬治·贊姆卡）就讓我駕駛奮進號飛行了幾分鐘。作爲一名試飛員，這是我職業生涯的亮點之一。

我們的“火箭-翻轉-飛船-翻轉-飛機”系統的飛行性能並不好。它有所謂的調和問題，在翻滾方面非常緩慢，但在俯仰方面卻非常靈敏。它還有一個與三角翼飛機相同的古怪特徵——如果你將操縱桿向後拉以爬升，它的高度首先會下降一點，然後隨着機翼獲得更多空氣，它才最終爬升。在高海拔地區，這並不是什麼大問題，但在跑道上着陸前的最後幾英尺，這會成爲一個嚴重的陷阱，航天飛機的飛行員需要經過廣泛的訓練才能避免，因爲突然發出拉高指令會導致驟然觸地。在這幾分鐘的操控時間裏，我的工作是讓航天飛機保持在電腦指引所命令的中心位置。在我的短暫輝煌時刻之後，Zambo重新控制了奮進號，進行最後的進近和着陸。

作爲PLT（飛行員），我的下一份工作是當啦啦隊員，也就是當我們在外滑翔航線上執行相當於20度俯衝轟炸式的飛行路線時，我大聲地喊出高度和飛行速度。當我們離着陸點還有2000英尺的時候，Zambo緩慢地拉起飛機，瞄準跑道，進行1.5度的內滑翔。在300英尺的高度，我放下了起落架，這是整個任務中最重要的任務。Zambo使着陸的過程十分平順，非常完美，我偶爾會提醒他，這是我經歷過的最棒的一次航天飛機着陸。當然，這也是唯一的一次。不過，當他把前起落架以適當的速度精確地降落到跑道上時，還需要進行相當多的駕駛工作；如果操作失誤，可能會導致猛烈的撞擊，機身會破裂。我們以將近每小時200英里的速度在跑道上狂飆，最終，Zambo把這架重達220000磅（約合100噸）的航天飛機停在了中心線上，我打開了降落傘使其減速。與此同時，一股火焰從軌道飛行器的尾部噴湧而出，那裏是火箭燃料驅動的液壓泵排出廢氣的地方。STS-130着陸的視頻看起來就像電影《瘋狂的麥克斯》（Mad Max）裏的場景。當我們減速到每小時不到50英里時，我丟掉了降落傘，不久之後，Zambo發出無線電呼叫：“休斯敦，奮進號，車輪停止。”我們終於可以再次暢快地呼吸了。

聯盟號的“心跳”返程

我更願意把乘坐航天飛機着陸的經歷比作是一次漂亮、平穩的空軍着陸。但現，在讓我們回到距地球表面40萬英尺（約合122千米）的進入界面，聊一聊搭乘聯盟號返回地球的感覺。我需要用不同的形容詞來描述那次經歷。如果說坐在航天飛機裏返回地球就像乘坐客機，那麼搭乘聯盟號就更像是駕駛着一個保齡球。

第一個明顯的不同發生在進入界面結束後不久，重新進入大氣層的時候。這一次發生在白天。聯盟號、阿波羅號、SpaceX龍飛船和波音CST-100等太空艙都會像飛機一樣使用傾斜角轉彎，不過效率要低得多。儘管航天飛機的橫向航程超過1000英里，但從軌道返回的太空艙通常只能向左或向右轉50英里。當我們在非洲上空疾馳的時候，我們會向右傾斜；我從艙口往下看，發現我們移動得太快了！在距地球250英里的軌道上，你不會注意到自己的速度，但那時，我們只高出沙漠和山脈50英里，而且仍然以每秒幾英里的速度飛馳而過。這一場景給我留下的印象太深刻了，以至於我在膝板上寫下了一些看不懂的筆記，試圖在那狹小的太空艙和笨重的宇航服中，勾勒出眼前稍縱即逝的景觀。

2015年6月11日，俄羅斯TMA-15聯盟號太空艙在哈薩克斯坦傑茲卡茲甘的一個偏遠地區着陸，上面載有俄羅斯宇航員安東·施卡普列羅夫、美國宇航員特里·弗茨和意大利宇航員薩曼莎·克里斯托弗雷蒂

此時的進入界面階段也有很大的不同。儘管我在窗外同樣看到了紅色/橙色/粉紅色輝光，但聯盟號要猛烈得多。首先，聯盟號在進入界面前幾分鐘的一次大爆炸中分成了三個部分：1個空軌道艙、我們所在的下降艙和1個無人服務艙。在進入大氣層後，聯盟號外部的隔熱層燒掉了。我從來沒有坐過在飛行期間會完全分離的飛行器，幸運的是這是按設計進行的。“我希望這種解體能最終停止”的想法確實在我腦海中浮現，但無論何種情況我都無能爲力。當我看到隔熱層的碎片（誰知道還有什麼）從窗口附近飛過時，不斷傳來撕裂和砰砰作響的聲音。然後是降落傘。之前有過經驗的同事給我們做了一個簡要介紹，他們基本上是說，“你會覺得自己快要死了，但不用擔心，你不會的”。你知道嗎？我確實感覺我們都快死了。但是，多虧了那份簡報，我的意大利夥伴薩曼莎·克里斯托弗雷蒂（Samantha Cristoforetti），我的夥伴安東·施卡普列羅夫（Anton Shkaplerov），也是聯盟號指揮官，還有我，當阻力傘打開的時候都興奮得不能自已。我們用俄語大喊大叫，“Rooskiy gorkiy！”，意思是“瘋狂的過山車！”在F-16圈子裏，我們會稱這個飛行階段爲“瘋狂大冒險”（Mr。 Toad’s wild ride）。翻滾持續了幾分鐘，直到主降落傘打開後，我們才穩定下來，回到1g的水平。

接下來是等待，餘下的幾千英尺中，我們緩慢下降，即將落在哈薩克草原上。就在一切似乎都平靜下來的時候，座位猛地從飛船底部抬起了大約1英尺。這其實是一個減震器，可以稍微緩衝一下撞擊。每個船員都有適合自己身體的座椅；大約兩年前，我的座椅就在莫斯科附近的Energia工廠澆鑄成型。在這個過程中，你要穿上白色的長內衣，覆蓋你所有的皮膚，然後用吊車放到溼漉漉的石膏上。當石膏最終定型，他們就會把你拉出來，瞧，現在你就有了爲你量身定做的座椅襯墊。當俄羅斯技術人員完成這個座椅時，他們在你的頭盔上方手工開闢出額外的空間，而我使用了這每一寸的空間。在地球上，我的身體沒有任何問題，但在太空中呆了200天之後，我長高了幾英寸，而我的頭頂正好碰到了座椅襯墊的頂部。

在座椅升起之前，駕駛艙已經沒有多少空間了。我們都穿着笨重而又不舒服的宇航服，擠在大約相當於你汽車前座大小的空間裏，每一寸空間裏都塞進了小塊的設備。之後，我被擠到上面，控制面板和我的臉之間大概只有1英尺的距離。我的右臂撞在了艙壁上。我的膝蓋抵着胸部——你沒法伸展自己的腿，因爲被艙壁擋住了。我被綁得很緊，動彈不得。我右手拿着一根控制桿，它不能控制任何東西，但給了機組人員一些原始的安慰，使他們有一些表面上的控制能力，我的腿上放着一張清單。我對自己說：“好吧，我沒有幽閉恐懼症，但如果在我的生活中有什麼理由讓我恐慌的話，那就是現在。”我想我有兩個選擇：一是驚慌，這樣我就被牢牢綁住，動彈不得，完全沒有辦法；二是不驚慌，這樣我還是被綁住，動彈不得，完全沒有辦法。我選擇了第二個選項。

回到地球

一切都在同一時刻發生了。一聲巨響、爆炸聲、猛烈的撞擊聲，我似乎從座位上彈了出來，被甩到一邊。聯盟號在太空艙底部安裝了“軟着陸”火箭，目的是在撞擊前的一剎那點火，但我的建議是將它們重新命名爲“非撞擊着陸”火箭，因爲撞擊的感覺是實實在在的。我可以想象，開車撞到家附近的電線杆上的感覺，可能就像聯盟號飛船着陸一樣。但是，除了幾處輕微的瘀傷外，一體式座椅、軟着陸火箭和座椅減震器的組合使着陸過程十分安全。在我們着陸並360度旋轉回到直立位置後不久，艙內有人問道，“我們還活着嗎？”我們三個人把手握在一起——我們活了下來，回到了我們的星球家園！

發射到太空，從0加速到每小時17500英里，乘坐一枚拖着火焰的火箭，搖晃着、咆哮着，你被壓在自己的座位上……這八分半鐘的太空之旅絕對是一種在地球上無可比擬的超級刺激體驗。但是返回地球的旅程，緩慢地從每小時17500英里減速到每小時0英里，期間的感覺更是無比奇妙。許多國家都發射了火箭，但只有少數國家能成功地將人從太空帶回家，這是有原因的。重新回到地面是非常困難的。這是一次難以置信的經歷，但也很危險。如果你有機會體驗這一過程，你會覺得自己快要死了，但相信我，你會沒事的。