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原来《银河补习班》,真的和银河有关

图片:《银河补习班》

如何评价邓超导演新电影《银河补习班》?

刘博洋,天体物理学博士生

承蒙片方提供观看点映的机会,很高兴看到在《流浪地球》横空出世的中国科幻元年,这么快就又有了一部包含太空科幻元素的中国电影问世。

下文有潜在剧透风险(尽管透的不多),建议观影后阅读。


这部电影中航天员太空自救这部分情节,在航天角度来看,有颇多值得一说的细节。

要还原片中的整个太空事故,需要解答三个疑问:

航天员在太空到底出了什么事?有多危险?他们是怎么回来的?

1、到底出了什么事?

(1)出事的时间点。

我们要从片中“曙光十六号”的任务规划说起。

事故发生前,台词说“经过漫长的57天……圆满完成任务,三天之后即将返航”,也就是说,这是一次在轨驻留长达60天的飞行任务。

在轨驻留60天什么概念?

2016年发射升空的神舟十一号,是中国目前为止,持续时间最长的一次载人飞行任务,在轨驻留时间是30天。

30天,是国际公认的中期在轨驻留的时间门槛。

电影中,2019年发射的“曙光十六号”,在轨60天,则是在神舟十一号基础上,破纪录地成倍提升了任务目标和任务难度。

60天时间,航天员始终处于失重、狭小密闭环境,可能导致一系列生理功能下降和心理问题,加上长期密闭环境的空气和水质污染、空间电离辐射风险,在这个阶段,航天员处在一个不容许丁点意外的高危险环境中。

就在这即将“胜利返回”的时刻,飞船出事了。

航天员马飞说,“最糟糕的是,这一切都发生在飞船刚刚开始制动的返回阶段。”

这个“最糟糕的阶段”是个什么阶段?

开始制动,是飞船开始返回的第一个阶段:制动离轨段。

发动机开机,产生与飞船飞行方向相反的作用力,飞行速度降低,飞船脱离原来的轨道,逐渐过渡进入地球大气的返回轨道。这个过程,类似于“刹车”。

也就是说,按照任务规划,此时的飞船已经处于返回流程,留给航天员应对紧急状况的时间已经不多了。


(2)发生了什么状况?

“万恶的太空碎片,打伤了返回舱的隔热瓦,还打坏了中继天线,我们和地面彻底失去联系了。”

指令长这句话,有3个重要信息:

a)飞船遭遇太空碎片袭击。

太空碎片又叫太空垃圾,可以说是各大科幻/太空灾难片的老朋友了。

太空碎片小到粉尘、大到整个飞船残骸,环绕地球轨道飞行,在轨道倾角下,一旦与飞行器碰撞,相对速度最高可达每秒10公里以上,具有巨大破坏力。

好莱坞电影《地心引力》里,宇航员出舱活动,遭遇数量和体积巨大的太空碎片袭击,直接导致了整个空间站损毁。

现实中,太空碎片的破坏性也受到高度重视。2014年,NASA就曾在3周内连续两次调整空间站轨道,以躲避太空碎片袭击。

电影对太空碎片撞击造成后果的表现实际上比较克制,现实情况很可能更糟。


b)碎片袭击造成了返回舱隔热瓦的损伤。

隔热瓦是什么?

当返回舱进入大气层与大气剧烈摩擦时,舱体头部的舱表温度高达几千摄氏度。如果不解决防热问题,飞船还没落地就会烧成灰烬。为了防止被烧毁,返回舱的舱体外部需要覆盖一层特殊的烧蚀材料。

这层材料就是隔热瓦。遇高温,它的表面部分会熔融蒸发、分解气化,通过材料的燃烧把热量带走,使返回舱内部温度能控制在30度左右。

隔热瓦材料特殊,外层受损,在太空中几乎是无法修补的。

它的损伤会造成什么后果?后面说。


c)碎片撞击同时造成中继天线受损,导致飞船与地面失联。

中继天线是什么?就是飞船舱体上能看到的“最大的那口锅”。

简单地说,飞船与地面的通信并不是直连的,而是通过这个“大锅状”的中继天线作为中间设备,进行飞船与地面控制中心的数据传输。

中继天线受损,飞船与地面失去了中转站,造成了两方的失联。

失联意味着什么?会产生什么后果和危险?


2、这次发生在飞船返回阶段的碎片撞击事故,到底有多危险?

制动阶段之后,飞船将进入返回的下一个阶段:自由下降段

自由下降段是这样一个阶段:飞船从离开原运行轨道到进入大气层之前这段过程,飞船受到的空气阻力很小,主要就在地球引力的作用下,呈自由飞行状态。

按计划,在这个飞行阶段,飞船要完成推进舱分离(从电影画面看,还包括轨道舱分离),建立再入姿态等重要飞行事件。

此时,返回舱建立正确的“再入姿态角”,也就是飞船进入大气层时飞行方向与当地水平面的夹角,是飞船安全返回地面的关键

再入姿态角必须精确地控制在一定的范围内:如果角度太小,飞船将从大气层边缘擦过,飞向太空不能返回;如果角度太大,飞船返回速度过快,就会像流星一样在大气层中被烧毁。

而这个精准的控制,需要通过地面控制中心进行大量实时计算,再将计算数据发到飞船来实现。

马飞说“错过了再入点”,意味着原本的返回数据已经不适用于突发的新情况了。

与地面失联,则导致飞船无法重新获得准确计算的返回轨道。飞船无法得到准确的再入角数据,将面临完全失控滑向太空、或者在大气层被烧毁的致命危险。

就没有别的办法了吗?

也不是。

出于安全考虑,飞船设计有一个原则,各个环节至少是三套冗余系统。

什么叫冗余系统?就是三套系统同时运行,即使两套都坏了,只要还有一套没坏就能正常运行。

所以航天员马飞提到了,“自主返回和手动返回”

可以这么理解,就算出现了飞船与地面完全失联的危急状况,飞船仍然有两个可以实现顺利返回的备份方案:

飞船可以依靠一套自主返回系统,在安全的再入姿态角完成返回;

或者,最极端的情况下,航天员还可以自己手动判断、控制飞船,以安全的再入姿态角完成返回。

但这又出现了新问题。

自主返回和手动返回都属于“弹道式返回”。

什么是弹道式返回?

弹道式返回是国际航天历史上最早实现、也被大量应用的一种返回方式。

简单说,就是飞船在再入大气层的飞行过程中,受到的空气动力只有阻力,没有升力。

再简单说,就像你在空中看准了地面一个范围,把飞船一扔,让它完全自由落体,全速冲向地面。

弹道式返回有什么问题呢?

弹道式返回因为速度完全不受控制,飞船受到的过载巨大,舱体与空气剧烈摩擦,热流密度高,舱体温度上升极快。

于是问题来了。

片中,返回舱的隔热瓦遭遇碎片撞击,已经受损。

而这个受损处很可能导致在进行弹道式返回时,舱体剧烈升温,受热不均,造成返回舱进入大气层时烧裂损毁。

“返回舱,还有我们,嘭,一个大火球。”

那么,自主返回和手动返回两个方案都不可行了。

没有别的办法了吗?


3、他们是怎么回来的?

弹道式返回的方案不可行,就只剩下一个办法。

马飞说:“隔热瓦损坏的前提下,我们唯一的办法,就是采取升力式返回。”

什么是升力式返回?

简单说,就是在返回舱进入大气层时,产生一定可控制的升力,利用升力控制下降的速度,大大减小返回舱承受的过载。

再简单说,就是在下降过程中,控制返回舱产生升力,减速。

慢点儿着陆。

升力式返回有什么特点?

因为速度可控,返回时的弹道航程长,舱体承受的过载更小,温升低。在可接受的温度范围内,有可能让返回舱在隔热瓦损伤的情况下安全返回。

问题又来了。

升力式返回需要产生一定“可控制的升力”,这意味着,要实现升力式返回,必须通过地面的大型计算机重新计算飞船新的实时轨道数据,生成返回程序注入飞船来完成。

换句话说,要升力式返回,必须和地面恢复联系。

怎么恢复联系?

修天线。

要修好中继天线,就必须航天员出舱。

片中,指令长提到出舱服的剩余氧气量显示只够四分钟,在现实情况下,氧气剩余含量如果仅剩这么点,出舱是非常危险的,几乎就是送命。

这也是指令长坚决拒绝航天员马飞出舱申请的原因。


但马飞还是出舱了。必须吐槽一下,氧气剩余四分钟实在是太……少了。这可能是这类电影的共同问题,像《火星救援》最后扎破航天服当空气动力,在现实中这几乎都是必死的举动。只能理解这些逼近现实极限的艺术夸张,确实在理论可及的现实范围内帮助电影更加紧张刺激。

马飞出舱太空行走这个段落,电影用了几乎奢侈的大篇幅,极力渲染了从出舱口到中继天线位置一路摸爬滚打,路途之艰难。

不过数米的直线距离,爬过去就行了,有必要这么困难惊险吗?

有。

在现实的航天出舱活动实践中,难度只会更大。


在现实情况下,马飞出舱的这个举动有多危险?

航天员手松开把手,一不小心就会飘走。出舱服一旦挂到舱体什么东西挂破了,泄露的气体就会产生一个推力,飞远就回不来了。


电影里,航天员马飞几次在飞船舱体上以长距离跳跃(以至最后解开安全绳跳跃)的方式和时间赛跑,这是类似于《地心引力》里宇航员在空间站巨大残骸上激烈摔打、艰难抓住舱体进入舱内,《火星救援》里宇航员扎破航天服以产生推力、最终获救,等等电影的处理手法。

这些电影中的动作,在太空活动的现实实践中,以目前人类的科技和生命保障水平,都是不被鼓励和允许的。一名成熟的航天员,需要整个国家以数千数万小时的时间成本来培养,航天员在太空的任何举动,都需要有万无一失的保障。所以这个部分,属于是电影这门艺术基于现实的合理想象和艺术夸张。

那么,就只剩下最后一个问题了。

马飞修好天线,还有时间和机会返回舱内吗?


航天员马飞到达中继天线位置后,片中出现了一个重要的细节。指令长在通信频段提示马飞“赶紧修好天线,你还有充足的氧气含量可以回舱。”

什么意思?为什么会还有“充足的氧气含量”?

冗余设计。

前面提到了,出于安全考虑,飞船设计的原则各个环节是至少三套冗余系统。此时,指令长设定的三分钟倒计时已经到了,他为什么会对马飞说“还有充足的氧气含量”?

只有一种解释。氧气含量在数值显示的范围之外,是还有设计余量的。简单说,就是还有备份的氧气。指令长发现了这一点。

原本已经扔掉安全绳的马飞,能否成功原路返回舱内,最大的障碍,是时间。

时间越少,航天员越容易忙中出错。而茫茫太空,航天员几乎没有任何可犯错的空间。一个动作失误,就会致命。

可以说,是无数在地面上、奋斗在航天事业一线的航天科学家和技术人员,以他们无数次的预演、无数种安全方案试验,在最不可能的绝境中,为马飞争取到了宝贵的时间,给了马飞一个返回舱内的机会。


如果你深知自上个世纪五六十年代以来,几代中国航天人的艰辛付出、勤勉不易,就会对电影里涉及的所有这些细节,生发出更多更多更多的感触。

我相信导演确实在航天专业方面做了功课,设计出这些情节和细节。一个有影响力的电影,真诚地向观众宣传和称颂了载人航天事业。这是我对它充满敬意的原因。

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