神舟飞船在1米高处精准反推着陆，是如何做到的？美国为何不用？

　　不知各位看历次神舟飞船着陆视频或动画时，有没有注意到一个现象：飞船返回舱在经过空气制动、降落伞减速后，在最后接触地面的一瞬间，底部的反推发动机会启动，完成最后的减速，将飞船稳稳地落在地上。
　　反推发动机启动
　　这个最终减速过程非常重要，由于飞船的重量寸土寸金，而且对着陆精度有要求，所以降落伞不会做得太大，否则不仅占重量占体积，有可能还会带着飞船飘走。因此降落伞打开后只能把下降速度降到8~10米/秒，或者说28.8~36公里/小时，这个速度还是比较大的，如果直接这样着陆，相当于以这个速度撞墙。而航天员是背部朝下面朝天坐在返回舱里，如此高的着陆速度有可能损伤航天员的颈椎，为了确保他们的安全，必须进一步减速。
　　神舟飞船的主降落伞
　　而这一关键的减速过程由多台反推发动机完成。这些发动机使用固体燃料，虽然每台的个头和重量都不大，但却能在瞬间产生大约3吨的巨大推力，4台一起工作，就有十多吨推力，可在短时间内将返回舱的下降速度减到2米/秒，这样的落地速度再加上舱内座椅的缓冲，就能确保航天员的安全了。
　　这个步骤听起来简单，实现起来却困难重重！一个重要原因就是反推发动机的点火时机非常关键，必须在距离地面约1米高度。假如启动晚了或压根没启动，飞船着陆速度就会过大，有可能伤害到航天员。如果启动过早，由于固体燃料是一锤子买卖，一旦点火就会很快烧完，没有第二次机会。如果反推发动机工作结束后飞船处在比较高的位置，下落时就会再次加速，同样会使着陆速度过大。
　　神舟12号航天员在返回舱内
　　那么怎样来确定返回舱的离地高度，从而在准确的时间发出点火信号呢？这就涉及到一个高度测量问题。有些网友会说：测量高度还不简单，用大气压的原理不就行了？海拔高度越高，气压就越低，这是中小学生都知道的道理，通过测量大气压的值，就能换算出当前的海拔高度。飞机的高度表就是利用气压来测高的，但它却有个问题：误差太大，例如在地面上和地面上方1米处的气压差别微乎其微，通过这个根本无法测量高度。
　　实际上，当飞机飞行高度低于2500英尺（即762米）时，就会使用无线电高度表，这东西和雷达有点儿相似。它向地面发出无线电波，并接受地面反射回的电波，理论上测出往返的时间再乘上光速再除以2就是距离。很显然这个时间是一个非常小的值，不好直接测，一般采用调频的方式，让无线电波的频率随时间变化，这样接受到的频率和发出的频率有一个差值，根据这个差值就能求出往返时间，进行算出高度。
　　飞机在低空使用无线电高度计
　　这种高度表对于民航飞机已经足够用了，但对于一个要着陆的航天器来说，精度还不够，原因是无线电波的波长太长，误差还是比较大。如果改成频率更高的电磁波，精度就能提高，于是又出现了激光高度计，例如嫦娥四号上的激光测距敏感器，从距月面30公里到15米的高度上，测距精度达6厘米，已经非常好了，但如果高度再低，就有点儿力不从心。对于载人飞船反推着陆来说，需要在1米的高度上实现高精度测距，即使是激光高度计也不能满足要求。
　　怎么办呢？只能使用更高的频率，而最高频率的电磁波段就是γ射线，频率高出天际，已经更像是一个粒子。由放射性物质发出的γ光子到达地面后会发生散射，一部分光子被反射回来并被探测器接收，离地面越近，接收到的γ光子越多，尤其是在1米以下这种高度上，反射回的光子计数会急剧增长，敏感性很高，特别适合在极低高度条件下进行测量。
　　γ光子高度计原理
　　同样采用反推发动机的俄罗斯联盟TMA载人飞船上就安装了γ射线高度计，在0.6至0.9米高度上能实现4厘米的精度，这是其它测高方式所不能企及的。我国的神舟飞船使用自行研制的γ射线高度计，性能至少不亚于俄罗斯产品，在神舟飞船历次载人飞行以及嫦娥探月任务中都有优秀的表现。
　　正是由于神舟飞船返回舱拥有在极低高度下还能精确测量的γ射线高度计，才能够在距地面1米处准确发出点火信号，反推发动机收到信号后将在20毫秒之内点火，来一脚紧急刹车，确保航天员安全回家。
　　飞船底部
　　估计有人会问：这么一来，返回舱上岂不是有放射源？没错！要想产生γ射线就得携带放射源，但它带有屏蔽，无法向舱内辐射，不会对航天员构成伤害，但它工作时会向外侧发出γ射线。因此返回舱着陆后地面人员的一大重要操作，就是赶紧用特制的屏蔽盖将底部的高度计盖住，防止靠近的人被辐射。等航天员出舱后，地面人员还要把放射源取出来，放到专用容器内储存。
　　说到这里，相信不少朋友已经想到了另一个航天大国：美国。作为航天领域技术最先进的国家，美国的载人飞船用不用γ射线高度计来测高呢？还真不用，这倒不是说该技术不先进，也并非是美国人搞不出来，而是美国载人飞船的着陆方式与中俄有区别，迄今为止，他们的载人飞船，包括水星、双子星、阿波罗飞船等等，以及最新的SpaceX龙飞船，其返回舱都是在大海上降落的，为此还专门用了个词儿叫＂溅落＂。
　　美国载人龙飞船在海上溅落
　　这种着陆方式很符合美国的国情。在海上溅落，海水会提供足够的缓冲，因此除了降落伞之外，不需要再设置反推发动机，节省了飞船的重量和空间。而且地球表面70%以上都是海洋，海面平坦宽阔，对着陆精度的要求比陆地更低。
　　在海上溅落也有劣势，除了一不小心会沉没之外，更需要在远离陆地的海域有很强的搜索和救援能力，而作为全球海上霸主的美国恰恰最拿手，拥有很多航母和两栖攻击舰，装备有大量直升机，并且其海军舰艇和基地遍布全球，用这种方式特别合适。
　　再回头一看，美国的优势恰恰是中俄的劣势。苏联在其全盛时期，海军实力也远不能与美国相比，无法有效控制海洋。在这种情况下，采用海面溅落的方式需要派出庞大的舰队，不仅成本高昂，还有可能受到其它海洋强国的骚扰，风险较大。因此苏联和俄罗斯选择了在平坦的大草原上着陆，他们最不缺的就是大草原。直到现在，俄罗斯的联盟飞船依然选择在哈萨克斯坦境内着陆。
　　联盟飞船在哈萨克斯坦着陆
　　我国的载人航天计划开始时，海军实力比起苏联还要差得多，连苏联都不敢轻易使用的海上溅落，我国自然也不可能采用。因此神舟飞船毫无意外的也是在陆地着陆，主着陆场是内蒙古四子王旗，备用着陆场就是这次神舟12号降落的东风着陆场。
　　其实，神舟飞船的＂降落伞+反推发动机＂着陆方式，虽然反推发动机的体积和重量代价都比较小，但也存在一大问题，就是在着陆有可能损坏返回舱，不利于重复使用。对于一次性使用的神舟飞船倒不是什么问题，但对普遍具备重复使用能力的新型载人飞船来说，就不太合适了。要想重复使用，就得改成其它方式。
　　我国新一代载人飞船采用气囊缓冲
　　美国SpaceX公司的载人龙飞船就曾经想过抛弃降落伞，用＂反推火箭+着陆腿＂的方式着陆，可以任意选择着陆点。但NASA觉得风险太大，否决了该方案，改成了较为稳妥的海上溅落，好在只要处理得当，经历过海上降落的飞船仍然能够再次使用。而另一种可选的着陆方式就是＂降落伞+气囊＂，在离地面较近时给气囊充气，通过柔软的气囊实现落地缓冲，同样可以减小对返回舱的损坏。
　　我国新一代载人飞船就是采用了多个降落伞+气囊的方案，但这种方式也有缺点：气囊和充气用的气体会占据较大的空间，不利于飞船的总体设计。好在新飞船比神舟大得多，能够承受这种代价。
　　我国新一代载人飞船试验船底部的气囊
　　那么当神舟飞船被下一代载人飞船取代后，γ射线高度计这种＂神器＂会不会失去用武之地呢？那倒不会，在月球、火星甚至更远天体上软着陆时，γ射线高度计还是能够发挥它的作用，毕竟在1米高度精确测距的绝活儿，它可是独一份儿！