中国科大教授解读“神十三”回家那些事

刚刚，神舟十三号载人飞船返回舱在东风着陆场预定区域成功着陆。欢迎三名航天员回家！

中国科大教授解读“神十三”回家那些事

据中国载人航天工程办公室消息，北京时间2022年4月16日0时44分，神舟十三号载人飞船与空间站天和核心舱成功分离，神舟十三号航天员乘组在空间站组合体工作生活了183天，刷新了中国航天员单次飞行任务太空驻留时间的纪录。神舟十三号载人飞船返回舱将在地面指令控制下择机再入返回，航天员翟志刚、王亚平、叶光富即将踏上回家之旅。“神十三”返回最大的看点是什么？空间天气研究对航天有哪些重要意义？日前，中国科大教授、博导，国家杰出青年基金获得者雷久侯对此进行了解读。

问：此次“神十三”返回最大的看点是什么？

答：神舟13号返回的最大看点之一是首次运用快速返回技术。以往的神舟飞船要想返回地球，先要在天上转上一天大约十几圈，这期间只有一次机会脱离原来的运行轨道，进入预定返回轨道，这种就叫定时、定点返回。但是神舟13号可以快速返回，且只需几圈、几个小时即可进入返回轨道，既缩短了航天员等待时间，也提高了返回舒适性，而且对我国空间站建成后常态化运营帮助非常大。

神舟13号的快速返回关键技术已经得到验证。神舟飞船返回过程要经历4个阶段：制动减速、大气层外自由滑行、再入大气层、回收着陆。俄罗斯联盟号飞船总体返回时间约为3~4小时，我国之前神舟飞船需要1天多。但如果从飞船与空间站脱离后的制动点火开始算，俄罗斯联盟号飞船需要大约56分钟着陆，而我国神舟飞船其实只需要约48分钟，比联盟号还能少7~8分钟。

问：空间天气研究对航天有哪些重要意义？

答：空间天气研究对低轨道卫星运行非常重要，比如空间站和神舟飞船，因为在这个高度虽然大气密度非常稀薄，但航天器运行非常快，8公里每秒左右，这样大气密度对低轨道卫星产生可观测到的阻力，也影响卫星寿命。

太阳爆发/地磁暴期间，高层大气会被加热。高层大气密度会迅速上升，导致低轨道上航天器的阻力增加，从而改变航天器的正常运行轨道，增大航天器定轨和轨道预测的误差。

影响载人空间站运行和航天员飞行安全的空间环境，包括高能带电粒子辐射环境和高层大气环境及流星体环境等。这些环境变化，主要受太阳活动和地磁活动制约。如产生太阳质子事件，引起高能辐射环境变化等。这些因素，不单对低轨道卫星，同时对高轨道卫星，比如同步卫星都会产生重要影响。因此，进行空间天气研究和预报是很有必要的。

问：在空间站开展实验有哪些优势？

答：空间站所处的轨道，相对于地面，有诸多优势：微重力、强辐射环境，以及极端温度、高真空等极端条件，相比无人探测器还具有航天员可以参与实验操作、实验设备可维护升级、实验样品可返回、在轨运行时间长等优势。而且，空间站处在特定的轨道高度，便于进行天文、地球观测和空间物理研究。

由于大气的吸收和气溶胶散射等影响，导致我们无法在地面对来自太阳系甚至宇宙中各种射线比如X射线、紫外线、红外线、气辉等，进行相关光学观测。同时，在空间站自上而下进行地球和空间观测也有明显优势，因为空间站在一定的轨道倾角下绕地球高速运动，而地球同时在进行自转，这样在空间站就可快速对地球进行大范围观测，这也是地面观测无法做到的。

问：在神舟系列任务中高校科研和科教所起到哪些作用？

答：在空间站进行太空授课不仅拉近了民众和航天的距离，更在广大青少年心中种下了“科技强国”的种子。作为一名高校教师，通过我国北斗、神舟、天问等系列航天任务开展教学，学习传承“两弹一星”精神，可以增强青年学子建设科技强国、航天强国以及进军“深地”、“深空”任务的责任和担当。

借助我国“北斗”的观测优势，我们科大团队创新地建立了中国中部区域GNSS北斗电离层短基线观测网。根据天宫、神舟等飞行器的观测，进行了高层大气密度卫星轨道影响的研究。这些研究成果都是我们课堂教学和科普非常好的素材，也诠释了国家战略的需求。

问：目前空间站有哪些相关技术系统？其成果如何助力未来的观测和研究？

答：目前天和核心舱已经搭载多个空间仪器，问天和梦天实验舱还会有空间科学相关的载荷。这些科学仪器将用于监测太阳活动，以及太阳的爆发活动引起地球磁场、电场、辐射、等离子体等的一系列连锁反应。

我们知道，太阳一打“喷嚏”，地球就会患上轻重不同的“感冒”。伴随太阳表面的爆发，一般地球会受到多轮攻击：电磁辐射增强（耀斑，8分钟左右达到地球）、高能粒子流（1小时左右到达地球）以及从太阳日冕抛射出的高速等离子体云。

上述过程会引起地球的电离层和高层大气的一系列变化。电离层因此变得坑洼不平、薄厚不一。全球卫星定位系统的信号会发生剧烈的抖动，严重时影响定位精度甚至导致完全失效。高层大气会被加热，高层大气密度会迅速上升，导致低轨道上航天器的阻力增加，从而改变航天器的正常运行轨道，增大航天器定轨和轨道预测的误差。高能粒子与地球的大气分子相互作用，产生大量的“次级辐射”，使得跨越南北极区飞行的乘客和机组成员经受数倍的辐射计量增强。

通过空间站以及其他卫星观测，提升我们对整个空间天气链条物理过程的认识，同时基于这些观测和理解，构建更高精度模型，反过来服务于空间站、低轨飞行器的轨道预报等，从而转化到实际应用之中。

问：对我国航天事业发展的见证和对未来的畅想？

答：我回国已经11年，深切感受和见证了我们国家航天和空间科学的蓬勃发展。

我国是一个空间大国，正处于向空间强国迈进的关键阶段。现已先后开展了北斗、载人航天、嫦娥工程、火星探测等计划，其中嫦娥四号实现了人类首次月球背面的着陆巡视探测，嫦娥五号在人类时隔44年后再一次采集月球样品并成功带回地球。2020年7月发射的“天问一号”通过一次任务实施火星的“绕、落、巡”探测。此外，除了空间站，国家同时积极论证无人/载人月球探测、小行星采样返回、火星采样返回、木星系探测、太阳系边际探测等重大航天任务。航天人正一步一个脚印，在浩瀚太空中不断刷新“中国高度”。随着中国航天事业的快速发展，中华民族探索太空的脚步会迈得更大、更远。

我国已经在空间科学的卫星观测方面取得长足进步，并逐步改变过去长期依赖国外卫星观测资料开展研究的现状。我们需要清醒认识到，基础研究方面离国际领跑水平还有比较大的差距，还有相当长的路要走。青年科学家希望在高层大气密度反演、建模，以及导航定位方向贡献自己的力量。

我们课题组的一位博士后利用国际空间站的观测开展了一项工作。这项工作基于自主研发的混合长基线天电阵列， 结合搭载在国际空间站上的大气-空间相互作用光学探测器（ASIM）, 对雷暴过境期间发生在我国华南地区的强雷暴过程进行分析， 首次揭示了雷暴云顶放电的光学特征包括云顶放电信号负极性NBE导致的蓝色喷流，并诱发红环精灵等低电离层扰动特征。希望后续能利用我们国家自己的空间站这个好的空间观测平台，开展高层大气、等离子体、电磁效应方面观测，研究高层大气变化特性，闪电活动、雷暴重力波，以及电离层不规则体之间耦合等前沿课题。