2021年9月17日，在太空生活工作了90天的神舟十二號(hào)航天員聶海勝、劉伯明、湯洪波乘坐神舟十二號(hào)載人飛船返回艙在位于巴丹吉林沙漠的東風(fēng)著陸場(chǎng)安全著陸，這標(biāo)志著中國(guó)空間站建造階段首次載人飛行任務(wù)取得圓滿成功。中國(guó)航天的巨大成就不僅凝聚了我國(guó)航天人的艱苦努力和心血，也匯聚了我國(guó)材料等各行各業(yè)的智慧和辛勞。中鎢在線認(rèn)為，我國(guó)鎢制品行業(yè)的科研人員和企業(yè)也對(duì)此付出了自己應(yīng)有的貢獻(xiàn)，高密度鎢合金屏蔽材料對(duì)于伽馬（γ）射線的屏蔽應(yīng)是其中之一。
對(duì)此，我們可以通過(guò)飛船返回艙返回過(guò)程的高度控制過(guò)程、使用技術(shù)及其材料展開(kāi)分析。
飛船返回艙在飛回過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)空氣制動(dòng)、降落傘減速、和底部反推發(fā)動(dòng)機(jī)噴射反推自動(dòng)三個(gè)階段來(lái)完成減速制動(dòng)使返回艙安全著陸，以確保航天員的安全。為了完成返回艙返回過(guò)程中的精準(zhǔn)定位和準(zhǔn)時(shí)自動(dòng)，我國(guó)的精密跟蹤相控陣?yán)走_(dá)、北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)和高分遙感衛(wèi)星負(fù)責(zé)精確定位，不同階段使用的高度儀則是精確控制安全降落的關(guān)鍵因素。
“回收著陸是載人飛船飛行任務(wù)的最后階段，也決定著飛行任務(wù)的最終成敗。”中國(guó)航天科技集團(tuán)五院神舟十二號(hào)載人飛船副總設(shè)計(jì)師邵立民說(shuō)，為確保航天員安全回家，該院為神舟十二號(hào)飛船研制了高可靠性和安全性的結(jié)構(gòu)、降落傘、著陸緩沖、程序控制等多類型回收著陸系統(tǒng)，確保飛船返回艙走穩(wěn)歸航的“最后一段路”，其中精確測(cè)高是各環(huán)節(jié)精確控制的重要依據(jù)，而高精度測(cè)高儀在其中發(fā)揮了決定性作用。
神舟十二號(hào)飛船返回艙穿越大氣層時(shí)其外表有燒蝕材料制成的防熱大底使飛船能夠在外表溫度超過(guò)2000攝氏度的情況下，通過(guò)燒蝕脫落帶走大量的熱能，確保飛船內(nèi)部能夠維持在20度左右的適宜溫度，直到飛船穿越黑障、穿越大氣層。返回艙自由下落至距地10千米高度時(shí)，靜壓高度控制器判斷高度，發(fā)出回收系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)，回收著陸系統(tǒng)開(kāi)始工作。靜壓高度控制器是程序控制的子系統(tǒng)，它與回收配電器、火工控制器、程序控制器、行程開(kāi)關(guān)等分工配合，控制不同的功能，發(fā)出程序控制指令信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成規(guī)定的彈傘艙蓋拉引導(dǎo)傘、拉減速傘、減速傘分離拉主傘、主傘解除收口、拋防熱大底、轉(zhuǎn)垂掛等一系列不可逆的動(dòng)作，每個(gè)環(huán)節(jié)必須精準(zhǔn)無(wú)誤，其中高度是最為重要的判斷依據(jù)。因此高度的精確判斷就成為了飛船回收是否成功的重要數(shù)據(jù)。
由于返回艙空間極為有限，其降落傘不能制作太大以免占有寶貴的空間和重量，同時(shí)太大的降落傘也會(huì)使返回艙在地面風(fēng)的作用下飄離預(yù)定區(qū)域太遠(yuǎn)，因此返回艙在返回到大氣層時(shí)，打開(kāi)降落傘后其速度仍然很大，減速后也在每秒8-10米左右，即28.8-36千米/小時(shí)，以這樣的速度直接著陸對(duì)背靠底部的航天員的頸椎是一個(gè)很大的傷害，因此就需要依靠數(shù)臺(tái)反推發(fā)動(dòng)機(jī)精準(zhǔn)啟動(dòng)產(chǎn)生4臺(tái)大約3噸共計(jì)超過(guò)10噸左右的反推力，在距離地面約1米的高度啟動(dòng)，使返回艙的速度降為2米/秒左右，這樣就能夠確保航天員的安全。因此反推發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火啟動(dòng)時(shí)間點(diǎn)就尤為關(guān)鍵，而控制其點(diǎn)火時(shí)間的關(guān)鍵就是精確的高度測(cè)量。
那么精準(zhǔn)測(cè)量高度是如何做到的呢？
我們知道，一般的測(cè)量高度，采用大氣壓的原理就可以實(shí)現(xiàn)，海拔越高，氣壓越低，反之亦然。一般的生產(chǎn)生活中，氣壓高度計(jì)是沒(méi)有問(wèn)題的，普通的民航飛機(jī)在高空使用的高度表也是利用這樣的原理制成的。但這樣的測(cè)量精度誤差很大，并且在地面和地面上1米高度上的氣壓幾乎沒(méi)有任何差別，因此也就很難根據(jù)該原理精確測(cè)出其高度。
即使是普通的民用航空飛機(jī)，在高度低于760米之后，也不會(huì)再使用大氣壓原理的高度表，而是采用無(wú)線電高度表測(cè)量飛機(jī)與地面之間的高度。無(wú)線電高度表采用的是無(wú)線電波射向地面再返回兩個(gè)行程中光速時(shí)間差的二分之一計(jì)算的，對(duì)于很小高度上的測(cè)高數(shù)值差異也是微乎其微的，因此一般采用調(diào)頻的方法，讓無(wú)線電波的頻率隨時(shí)間變化而變化，這樣發(fā)出的頻率和接受的頻率之間會(huì)產(chǎn)生差值，再根據(jù)差值得出往返需要的時(shí)間和高度。這樣的計(jì)算精度由于無(wú)線電波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，誤差也較大，雖然對(duì)于一般的民航飛機(jī)是可以滿足安全需要的，但對(duì)于飛船返回艙的精度要求還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
相較于無(wú)線電波，使用精度更高的電磁波，其精度可以得到大幅度提高，這就是激光高度計(jì)，我國(guó)的嫦娥四號(hào)就是采用激光高度計(jì)測(cè)高的，在距離月面30千米到15米的高度上，測(cè)距誤差只有60毫米，這個(gè)精度對(duì)于月球探測(cè)器是可以滿足其要求的，但在低于15米之后的高度上，激光高度計(jì)的精度誤差就會(huì)擴(kuò)大，這對(duì)于載人飛船返回艙來(lái)說(shuō)仍相當(dāng)危險(xiǎn)。
以上的測(cè)高方式和儀器設(shè)備對(duì)于1米左右的高度都不具備即時(shí)精準(zhǔn)測(cè)高的能力，這就需要更高頻率的電磁波來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前已知的最高頻率電磁波就是伽馬射線。伽馬射線有放射性，物質(zhì)發(fā)出的射線到達(dá)地面后會(huì)產(chǎn)生散射，部分光子反射回到發(fā)射源后被接收器接收，距離越近接收到的伽馬射線就越多，特別在1米左右的高度上，反射回來(lái)的射線急劇增加，敏感性很高，因此最為適合在貼近地面的高度上進(jìn)行精確測(cè)高。俄羅斯的聯(lián)盟號(hào)飛船上就成功使用伽馬射線測(cè)高技術(shù)進(jìn)行反推發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。
我國(guó)自主研制的伽馬射線高度測(cè)量?jī)x器在返回艙臨近地面時(shí)的測(cè)高發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，它可以在距離地面1米的高度上進(jìn)行誤差僅為40毫米的精確測(cè)量，其測(cè)高精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他測(cè)高方式，而反推發(fā)動(dòng)機(jī)在收到信號(hào)后可以在20毫秒內(nèi)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)而產(chǎn)生巨大推力，確保飛船平穩(wěn)落地。
中國(guó)航天科工研制的一系列優(yōu)質(zhì)晶體元器件，火工鎖、彈簧分離推桿、拋底火工鎖等產(chǎn)品承擔(dān)提供穩(wěn)定的時(shí)間頻率基準(zhǔn)、解鎖與分離等任務(wù)，為確保航天員安全返回地球起到關(guān)鍵作用。航天科工三院35所研制的最后剎車制動(dòng)系統(tǒng)中的伽馬射線測(cè)高儀精確測(cè)量返回艙底部距離地表的高度。邵立民介紹，飛船返回艙在接近地面高度時(shí)，在神舟十二號(hào)返回艙底部的伽瑪射線高度控制裝置就會(huì)開(kāi)始工作，通過(guò)發(fā)射γ射線，可以穿透地表植被，實(shí)時(shí)測(cè)量距地高度。當(dāng)飛船返回艙降至距離地面1米高度時(shí)，返回艙底部的γ表發(fā)出信號(hào)，飛船返回艙上的4臺(tái)反推發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，施加反推力，向上抬升返回艙，進(jìn)一步減小其落地速度，確保航天員著陸安全。
飛船返回艙在落地時(shí)由于其攜帶的伽馬射線測(cè)高儀的存在，其自身是具有放射性的，不過(guò)伽馬射線放射源使用對(duì)飛船內(nèi)部的屏蔽材料以保護(hù)艙內(nèi)的航天員，但是此時(shí)對(duì)外是開(kāi)放的，所以我們看到，返回艙落地后，并不會(huì)急著打開(kāi)返回艙，除了地面人員要確定地面安全性之外，更重要的是地面人員要第一時(shí)間前往對(duì)放射源進(jìn)行屏蔽保護(hù)，以免傷及地面人員和即將出艙的航天員的安全。中鎢在線估計(jì)，這就是我們看到的第一時(shí)間有一名地面人員快速跑步到返回艙并在返回艙底部展開(kāi)工作的主要內(nèi)容，先使用特制的屏蔽蓋將底部的放射源屏蔽起來(lái)，等航天員出艙離開(kāi)后，地面工作人員才會(huì)將放射源取出，用專門(mén)的特制容器將放射源帶走。
中鎢在線根據(jù)自身的專業(yè)知識(shí)分析認(rèn)為，同樣厚度的材料，其密度越大，對(duì)輻射的屏蔽效果就越好，其屏蔽射線的效果和密度是高度正相關(guān)關(guān)系。到目前為止，高密度鎢合金的密度可以達(dá)到19g/cm3 ，是最為理想的屏蔽材料；并且中鎢在線認(rèn)為，為防止屏蔽材料自身對(duì)返回艙內(nèi)的儀器和通訊產(chǎn)生影響，使用97%鎢-鎳-銅（97W-2Ni-1Cu）的高比重鎢合金，既可以達(dá)到最大密度，又可以進(jìn)行一定形狀機(jī)械加工的強(qiáng)度，同時(shí)不會(huì)因自身具有的磁性對(duì)返回艙的儀器和通訊信號(hào)產(chǎn)生影響。這樣的屏蔽材料在飛船返回艙自身結(jié)構(gòu)中對(duì)艙內(nèi)進(jìn)行保護(hù)，落地后也是用同樣的高密度鎢合金蓋子密封其射線對(duì)外暴露的部分進(jìn)行屏蔽，同樣，也是用鎢合金材料的屏蔽罐體將返回艙內(nèi)的伽馬射線發(fā)射源密封帶走以確保返回艙之后的工作處于無(wú)輻射的安全環(huán)境之下。
作為鎢業(yè)人，我們感到驕傲和自豪，我國(guó)的鎢業(yè)界從中華蘇維埃建設(shè)，到改革開(kāi)放，再到我們?nèi)招略庐惖暮娇蘸教炜萍碱I(lǐng)域已經(jīng)并將繼續(xù)做出自己的貢獻(xiàn)！
