空间站绕地球赤道转？中国空间站飞行轨道和神舟十三号返回有讲究

斯伯丁

神舟十三号飞船乘组在中国空间站上工作生活了6个月，打破中国航天员长期在轨飞行时长的记录，马上就要返回地球了。不过有小伙伴就纳闷了：我国的空间站不是沿着地球赤道面在飞行吗？

为什么在飞行控制中心的大屏上，空间站的飞行轨迹在展开的世界地图上往往看起来像正弦波？难道它是围绕着地球赤道在波浪形运动吗？让我们来了解真相吧。

国际空间站飞行轨迹

中国天宫一号飞行轨迹

空间站轨道倾角

其实我国的空间站并不是沿着地球的赤道面形成的轨道在飞行，而是有自己的轨道面，而且这个轨道面（黄色）与赤道面（蓝色）有一个夹角，专业上叫轨道倾角，大约在42°~43°范围内略有变化。所以空间站绕地球飞一圈，飞行轨迹落在地球上就会与地球赤道相交两次。

空间扎轨道倾角示意

假如地球不围绕地轴自转，那么空间站飞行轨迹在地面上就是一个与地球赤道面有42°~43°夹角的圆。但是，地球的自转是不能忽略的因素，而空间站在高340公里~450公里的低地球轨道上自西向东绕地球飞行时，大约90分钟就能转一圈，此时地球自西向东自转大约偏转了一天24小时的1/16，所以我们会看到空间站转过一圈之后轨迹并没有回到起点上，而是向西错了圆周的大约1/16。

如果把这一圈的飞行轨迹平摊在世界地图上，就是下面这个样子。

每一圈向西错1/16地球圆周

以一天为周期，把所有飞行轨迹叠加，并在世界平面地图上呈现出来，就会有像下图那样大约16条曲线。

如果我们把这16条线再还原到地球仪上，奇妙的现象出现了：空间站的飞行轨迹就像把地球团团围住的一个灯笼骨架一样，而且在地球两级还有部分区域没有覆盖，也就是上下还有开口。

为什么要有轨道倾角？

先从对地球的观察范围来看。地球的直径约1.3万公里，而空间站的高度才350~450公里，两者相比差别太大，如果空间站沿着赤道面在飞行，那可以观测的范围将极其有限。要是把轨道面与赤道面不重叠，掰开一些，再加上一天能绕地球飞16圈，那么就会对地球很大一部分观测了。

但是这个轨道倾角也没必要最大到极地轨道，那样就会较长时间地暴露在太阳光下。有人说这样不是更能让空间站太阳能板吸收能量来发电吗？其实相对于发电而言，更重要的是温控，假如空间站长期暴露在日光下，又是在真空环境中，太难散热了，所以轨道倾角低一些，地球南北两极很大范围观察需要也不大，还能兼顾发电和温控，何乐而不为呢。

再看航天发射场的位置，我国有4大航天发射场，其中位于海南文昌的发射场纬度最小也最接近赤道。但是通过前面对轨道倾角的理解，在不同纬度的发射场上，无论朝哪个方向发射空间站，都是有轨道倾角的，不可能与地球赤道面重合，要想实现重合，就像地球静止轨道卫星那样，大家可以想一下是不是得变轨很多次才可以呢。

我国选择在文昌发射场发射重量较大的空间站核心舱、货运飞船等飞行器，在酒泉发射场发射载人航天飞船。

发射时只要按照既定的空间站轨道倾角选准发射方向，然后发射即可。这样等空间站成功入轨后，就会按设定的倾角运行了，每天绕地球飞16圈，与地球赤道交叉32次。因此40°~50°是比较理想的空间站轨道倾角。

着陆场的选择要求

我国着陆场系统随着载人航天飞行任务的发展而不断发展。第一艘神舟飞船着陆场系统只有一个主着陆场，没有设立副着陆场和应急着陆场。神舟二号飞船时设立了应急着陆场。神舟三号和神舟四号时，启用了副着陆场和海上应急救生区。神舟五号以后，着陆场系统已经相当完善。
在我国960万平方公里的陆地疆域中，寻找一块2000~10000平方公里的平坦区域并不算难，但是要想找到一块既能满足着陆场要求，又能满足飞船轨道要求的区域就不算容易的事了。由于神舟飞船返回舱运行轨道的特点，着陆场必须同时具备4个基本条件：
① 飞船轨道要从这个地区上空一天内多圈次飞过，便于飞船多次调整姿态；
② 场地要尽可能开阔宽广，房屋和高大树木占地面积要少，便于观察，方便地面、空中回收队伍调运；不仅满足正常着陆，还要考虑应急着陆或着陆时出现偏差时也能落在着陆场范围内；没有大型工业设施、居民区、水库和高压线等；
③ 地势平缓，地表坡度不能超过5度，最大坡度不应超过15度，地表要结实，保证飞船软着陆后平稳等待回收；
④ 天气状况良好，能见度高。
着陆场的选择历程

我国在1993年2月至1996年10月，先后组织大量人员在河南、四川、辽宁、内蒙古、甘肃和新疆等所有理论上适宜做着陆场的地方，开展了7次大规模实地勘察，最开始选定河南开封至驻马店以东约200公里长、100公里宽的黄泛区，但是现场勘察时发现人口密度太大（每平方公里600人），村庄规模也大，而且树木和建筑太多，影响飞船的降落安全，每次飞船着陆前要疏散近130万人，实在是太扰民了。
于是后来，我国在内蒙古四子王旗和酒泉卫星发射中心附近分别选定了两块着陆场，另外在国内外还设有包括澳大利亚、泛阿拉伯地区、北非、西欧、美国、南美洲等地区和国家的11个应急着陆场。
最开始我国都以内蒙古四子王旗着陆场为主着陆场，面积大约2000平方公里，这里以草原为主，地形平坦，天气干燥，能见度高，说不足就是有牧民以及一些简单的经济活动，而且飞船降落前后需要对草原脆弱的生态有一定的破坏。

神舟九号返回舱着陆于四子王旗着陆场

直到神舟十二号飞船返回着陆，我国把酒泉卫星发射中心附近附近的、一直作为备份的东风着陆场改为主着陆场，不仅如此，神舟十三号飞船返回地球时也会选择这里着陆，这又是为什么呢？东风着陆场的南北有190公里长，东西宽约120公里，面积达到20000平方公里，是四子王旗着陆场面积的10倍，它位于内蒙古阿拉善盟额济纳旗酒泉卫星发射中心的东南部，地形地貌以沙漠和戈壁为主，其中也有山地和洼地，这一点确实不如四子王旗的草原平坦，但是这里人烟稀少、经济活动少，但是沙漠的环境色调单一而且其后干燥少雨，便于搜救队伍及时发现，也是较为理想的着陆场，尤其是它更靠近酒泉卫星发射场，更利于救援队伍日常驻扎和开展工作。

神舟十二号返回舱着陆于东风着陆场

神舟十三号飞船的快速返回和着陆

之所以把东风着陆场改为主着陆场，也是因为这个区域面积更大，我国空间站运行轨道每天会有更多的机会覆盖到着陆场范围内，提高了飞船着陆后航天员的救援速度和质量。当神舟十三号飞船完成任务，与空间站开始脱离，与空间站保持一个安全距离后，仍然会沿着空间站轨道在围着地球绕圈。一般会绕行1~2圈，用时3个小时左右，并在这期间找机会，当确保飞船返回轨道能够经过预定的着陆场时，就会在制动点让制动发动机点火，给飞船减速，此时轨道从空间站轨道进入返回轨道，而且确保在一个制动点上能让返回轨道同时覆盖主、副着陆场，之后大约用时48分钟，经历离轨、大气层外滑行、再入大气层、减速和着陆等几个关键阶段，就能返回地球了。

期待神舟十三号乘组完成任务后顺利回家！祖国和人民等着你们平安归来。