神舟十三返回，连续四次落点预报有多难？学会了力学，你能行吗？

搭不搭

1、引言
神舟十三已经在4月16日上午9点56分成功着陆，期间一共进行了四次落点预报。第一次落点预报：东经100°06′18″，北纬41°36′25″。第二次落点预报：东经100°06′18″，北纬41°36′25″。第三次落点预报：东经100°06′54″，北纬41°37′01″。第四次落点预报：东经100°09′43″，北纬41°39′11″。随着距离着陆越来越近，落点的预测也越来越准确。

神舟十三着陆画面

为了保障航天员的安全返回，需要天地协同，做到舱落人到。在这个过程中，我们刚刚听到的那四次落点预报就显得非常重要了。那么为什么要有四次落点预报？落点预报又是根据什么计算得到的呢？

2、落点预报的时机
神舟十三快速返回，从上次的28小时，缩减为这次的8小时。从制动开始到落地，仅用了约44分钟。在这44分钟的时间里，指挥中心进行了四次落点预报。第一次落点预报在制动结束进入惯性滑行的7分钟后，第二次落点预报在推返分离的4分钟后，第三次落点预报在主降落伞打开的4分钟后，最后一次落点预报就在落地的前1分钟左右。实际上，最后的那次落点预报就是真实的落点坐标。正是有了这样高精度的落点预测，才可以做到舱落人到。

第三次预报在开伞之后

为什么要有四次的落点预报呢？从刚刚的那四次预报的时机来看，都是返回过程中的一些关键节点。比如制动后进入滑行、比如推返分离后，比如主伞打开后。当然，最后一次不算，最后一次的落点虽然也是预报，但是是在落地前1分钟左右发出的，主要的作用就是告知准确的位置，让大家赶紧过去。而在前三次中，都伴随着运动状态的改变。比如制动力的消失，开始依靠惯性进行滑行。推返分离后，着陆的部分只剩下了返回舱，推进舱的离开，根据动量守恒，带来了返回舱速度的变化。进入大气层，主伞打开后，巨大的气动阻力让返回舱的受力突然增加。所以，为什么要有前三次落点预报，就是为了重新根据新的运动状态进行落点计算。

中国空间站

3、落点预报的计算
那么具体要什么计算呢？简单来说，就是牛顿定律。从制动开始，一直到安全着陆，都离不开牛顿定律的作用。所以，掌握了牛顿定律，基本上就掌握了落点预测的方法论。但是，同学们比较熟悉的是质点模型下牛顿定律。而神舟十三落点的预测，不能仅仅考虑质点模型，必须结合实际的形状尺寸来分析。在飞船进入大气层之前，由于气动力几乎可以忽略，这个阶段的轨迹计算是非常准确的。所以，第一次和第二次的落点预测都是完全一样的，表明在进入大气层之前的轨迹与预测的完全一致。

进入大气层之前，轨迹计算非常精确

问题在于进入大气层之后，气动力变幻莫测，给落点的预测带来了困难。通常气动阻力公式可以用这个公式来表示，它与阻力系数、空气密度、迎风面积，以及速度的平方成正比。这里面，阻力系数、迎风面积跟返回舱的形状尺寸和姿态密切相关。这也是为什么进入大气层之前一定要调整好姿态，不然落点的位置就不太容易控制了。调整好姿态，就是尽量让这2个参数不发生变化，减小气动力计算的难度。另外的两个参数，空气密度和速度都在时刻发生着变化，好在空气密度模型基本上是确定的。剩下的就是速度带来的麻烦，必须实时获得其速度，从而计算出其气动力，然后气动力又影响着速度。这个过程必须得借助于计算机才行了。

气动阻力公式

另外，刚刚说了，落点预测不能将返回舱视为一个质点，气动力是作用在整个迎风面上的，是一个分布载荷。而且，更严格的话，这些分布在迎风面上的气动载荷，每一个位置的力的大小都不相同。理想的状态是这些气动力的合力，可以等效为一个过返回舱质心的力，这样就没有倾覆力矩的存在。所以，如果姿态控制得不好，在气动力的作用下，是有可能会发生翻转的，这就变得完全失控了。

巨大的气动阻力

还有，不知道同学们注意到没有，落点预测播报总是在关键节点的4-7分钟之后。这难道是计算的时间？说实话，虽然刚刚描述的计算过程很复杂，有很多的变量，并且互相影响。但是计算量并不多，普通的个人电脑就可以胜任，只要数据输入，基本上可以是秒出结果。之所以等待4-7分钟，是为了获得关键节点之后的一段运行轨迹。每一次的关键节点后，神舟十三的轨迹会有明显变化，如果直接计算，误差就比较大了。有了前面一段稳定的运动轨迹，就可以更加准确地预测了。

轨迹预测

4、总结
所以，神舟十三落点预报的时机与返回过程中的关键节点有关，预测落点的计算非常地繁琐，但是掌握了牛顿力学，就掌握了基本的方法论。