1、引言

2022年12月4日晚，神舟十四航天乘组在圆满完成各项任务之后，跟随返回舱安全着陆。返回舱自带第一宇宙速度从天而降，由于地球引力的存在，下降过程中的速度还会越来越快。空气阻力虽然存在，但是减速的效果并不理想，如果没有降落伞，那么返回舱就会像陨石一样，高速撞击地球。

降落伞主伞

先给大家讲个故事。小时候，表姐炫耀一根比较结实的细绳，应该是钓鱼线，说怎么拉都拉不断。我就觉得好神奇啊，这么细的一根绳子怎么会拉不断呢？这时，我爸过来接过细绳，就这样快速的一拉，立马一分为二。表姐立马说我爸耍赖，要慢慢拉才算。当时这个场景给我的印象太过深刻了，以至于我现在还能想起来。不过当时还没有意识到背后有什么力学原理。

结实的钓鱼线

2、为什么要有降落伞

回到返回舱的减速问题。返回舱进入大气层后，想要更快、更安全的减速，就必须依靠降落伞。返回舱的降落伞分三个阶段，首先是在约10km的高度打开引导伞，引导伞拉出减速伞，19s后减速伞与返回舱分离，并拉出主伞。通过这一整套降落伞的组合，将返回舱速度减到约7-8m/s。诶，有没有同学觉得好奇，为什么要搞这么一套复杂的降落伞？不是结构越简单肯定越安全吗？为何不用一个主伞来减速呢？

主伞

另外，从画面中也可以看到，主伞打开也分步骤，先是半开，然后才是全开。为什么不一下子打开，从而可以更快的减速呢？其实，对于返回舱的减速问题，我们不希望它减的很快，也不希望减的很慢。它必须有一个合适的度才行。如果减速很慢，那么从轨道到地球，就会来不及减速，从而让撞击速度变得很大，这显然非常不安全。

返回舱

3、分级开伞

那如果减速很快，同样也不安全，这有2个方面的原因。其一就是需要保护舱内航天员。人体能够承受的载荷是有限的。当速度从快到慢减速，必定存在着加速度，这个加速度就是一种载荷。虽然它不是真正的力，但是里面的航天员确实感受到有一种无形之力，这就是惯性力。当加速度变大时，惯性力也随之增大。受过训练的航天员也只能承受大概8G左右的加速度，也就是8倍体重的惯性力。而当只靠一个主伞，并且一下子全部打开时，1200平米的主伞，会瞬间产生一个非常大的阻力，它的加速度可能要达到100G左右，完全超出了航天员的承受极限。这里面其实有个比较简单的原理，动量定理，mdv=fdt，为了减小力F，必须减小速度差，延长作用时间。

动量定理

另一个原因就跟我刚刚讲的故事有关了。以主伞为例，它需要依靠伞绳与返回舱连接。我们知道返回舱降落伞是可折叠的，所有的都是柔性材质，它的伞绳自然也不可能是钢缆了。冰丝带的那个屋顶用的就是高强度的高钒密闭索，强度1570MPa，相当于1mm2的面积承受2个多成年人的体重。如果是这种钢缆，那么三吨的返回舱，只要18.7mm2的横截面积就可吊起。可惜，这种高强度的钢缆，无法做到真正的柔性可折叠。从现场画面可发现，伞绳跟通常意义下的绳子没啥区别，非常的柔，应该是织物类的复合材料。96根伞绳，直径2.5mm，由此可以测算出这种材质的极限应力至少是15MPa，约是刚刚那个高钒密闭索1/100。虽然，力学性能差了很多，但是它却更方便折叠。力学方面的差距，就靠数量来弥补了。

高强度缆索

返回舱降落伞选择依次按步骤打开，就是因为需要考虑伞绳的动载荷承载能力。刚刚说的高钒密闭索强度1570MPa，伞绳15MPa，都是静载荷下的强度。实际上，材料的力学性能并非一成不变，它跟载荷的快慢密切相关。加载速度越快，材料会变得越弱，这就是应变率效应。如果仅用一个主伞，那么在主伞打开的瞬间，会产生一个非常大的空气阻力，这一个快速加载的力，对于伞绳来说就是动载荷，应变率效应不可忽略。而采用分级减速，虽然也会有瞬间产生的阻力，但这个阻力就没那么大了，伞绳可以承受住。理想状态是一把伞，在下降过程中慢慢自动变大。现实中就是采用分级伞。

柔性的伞绳

4、总结

所以，返回舱减速过程需要多伞逐个、逐步打开，不仅仅是为了保护舱内的航天员，同时也是保护这96根伞绳。