同是穿过大气层,飞船发射时不会燃烧,为何返回时会猛烈燃烧?
有关于神舟十三号飞船上三名宇航员的日常生活纪录片深受大家的喜爱。
从最初的神州五号到如今的神舟十三号, 我国的航天工程走过了漫长而又艰难的岁月。 每当人们从电视上看到火箭发射的场景时就很激动, 搭乘着载人飞船的火箭升空,标志着我们与宇宙 探索 的更进一步。
值得一提的是, 现在不仅可以观看发射过程,连飞船返航过程都有专题视频 。视频中飞船返航时进入大气之后像是变成了一个 燃烧的火球 ,使得大家不禁为航天英雄们担忧,害怕会发生什么意外。对此许多人表示疑惑, 为什么同样都要穿过地球的大气层,飞船发射时不会燃烧,返回时却会猛烈燃烧呢?
诚然,虽然绝大多数人都在电视上观看过载人飞船发射升空和返航的视频,但是应该尚未 深入了解飞船发射与返航的步骤 。接下来,我们就来一起看看飞船究竟是如何“冲出地球”,又是如何返回家乡的。
首先, 飞船在发射前就需要做许多准备 。我们知道一般是用运载火箭将其送入轨道, 所以开始前检查火箭的燃料加注以及启动火箭自检程序就显得尤为重要 。
以 苏联的H-1运载火箭 为例,几次发射之后都在空中爆炸解体,虽然设计问题是主要原因,但是与火箭发射前的检查工作也是密切相关的。
火箭点火成功之后最初是垂直上升的,这个时间大概只有10秒左右 。这之后火箭就会开始“程序转弯”,这样是为了将载人飞船安全送入既定轨道。大概两分钟以后火箭助推器就会分离,从最初我们看到的长度缩短一大截。等到达大气层边缘时,整流罩也会自行分离。 以神舟七号为例,成功点火583秒时,飞船和火箭彻底分离,根据观测这时的飞行高度大约是200公里。
简单来说, 飞船发射大致要经历三个过程。第一是垂直上升,这一阶段是在积累初始速度。第二则是程序转向,此举除了协助运载火箭完成轨道偏转之外,还旨在降低大气阻力。第三是入轨机动,依靠轨道最高点附近的平行方向点火来实现。
返航的过程则要更加复杂一些,毕竟再入大气层是一件很危险的事情。 以神舟十二号为例,它与空间站分离之后,还需要绕行很多圈来调整降落的高度和角度 。调整完毕之后轨道舱才会与返回舱分离,这时返回舱正式进入减速变轨,以7.9公里/秒的速度下降。
待到降落高度至80到100公里之后,飞船会进入大气层,这时的飞船就会变成我们看到的那一团火球 。不仅如此, 因为黑障效应,飞船还会和地面指挥短暂失联,大概到40公里的位置才能再次建立连接。 经过减速之后,飞船的速度逐渐降为 200米/秒 ,最终在距离地面 10公里的位置时弹出降落伞 。这就是大家看到的最后返航场景,降落伞底部拖着一个“黑乎乎”的铁块,做着落体运动。
通过以上我们知道了飞船发射和返航的详细步骤,相信大家已经发现了为什么飞船在发射时不会燃烧,返回时却会剧烈燃烧。 主要有以下两个原因,分别是速度和大气的差异 。
首先, 我们一起来看看速度有何不同。 人类仅用肉眼去观察肯定察觉不到发射和返航的速度有什么差异,但是 根据计算就能发现,发射时抵达大气上层边缘时,才开始缓慢加速。 像我们前文提到的助推器分离阶段, 其速度大约只有2公里/秒。 因此其实飞船飞入地球时的速度远小于返回时的速度, 速度的差异是造成二者燃烧状况不同的主要原因。
飞船的时速越快与大气之间的摩擦力就越强。 而摩擦力正是飞船外部燃烧的原因,巨大的摩擦力使得飞船表面迅速升温,其温度甚至可以高达 2000 。飞船返回时受到的摩擦力比发射时受到的摩擦力小,所以升空时飞船表面的温度并不会特别高,就更不可能出现燃烧现象了 。
其次,就是大气层的原因。 大气层是越向上越稀薄的,越靠近地表越稠密,其阻力不言而喻。 大气圈最底层也叫摩擦层,在这个范围内物体的运动会明显受到地表摩擦力的作用。
飞船发射是从大气稠密部分到大气稀薄部分,并且在稠密部分时飞船的整体速度并不快,再者有程序转向这种减轻阻力的步骤,使得产生的摩擦力很小。
但是飞船返回就不一样了,它是从宇宙的真空环境重新进入地球,并且速度大概是7.9公里/秒的。 大家可能对这一数值没有概念,举个例子如果我们从北京坐高铁去天津,需要花费30分钟,而假如乘坐这样速度的飞船的话,仅仅需要15秒就可以到达了。 再者从大气的分布来看,越向下越稠密,这时高速下落的飞船必然会和稠密的大气疯狂摩擦,最终致使表面温度骤然升高,产生燃烧现象。
由此可见, 燃烧情况不同本质就是因为“摩擦力的大小不同” 。 摩擦力一方面受到速度的影响,另一方面则受到大气密度的影响。 可以说飞船发射时和返回时面对的境况完全相反,所以燃烧情况不一样也很正常。
值得一提的是, 虽然大气的摩擦阻力看起来很“讨厌”,但是我们现在的飞船降落都需要依靠大气来尽力减缓自己的速度。 像嫦娥五号返回舱重回地球时,甚至为了降低速度,曾经两次进入大气层,最终带着月壤成功返航。
至此,我们对飞船发射和返回时燃烧情况为什么会不同有了一定的认识。 其实这种燃烧现象,是航天工程当中一直在进行攻克的一大难题。科学家们称这种现象为“热障效应”, 具体来说就是飞船在稠密大气当中进行超音速飞行时,激波和本体之间的高温压缩气体会加热。而机体和空气又会强烈摩擦,再度将机体表面的热度提高,使其 超过表面金属材料的极限温度,产生了燃烧、高温的现象 。
因此, 想要保障飞船内宇航员的生命安全,就需要在飞船外部套上“金钟罩”,这种金钟罩其实就是由热防护材料做成的,对飞船内部形成保护。 经过科学家仔细研究,发现使用 “烧蚀防热” 是最好的方法。
我国神舟飞船所使用的烧蚀材料能够承受2000 的高温,其表面看起来像是蜜蜂的蜂巢一样,其名字也叫“蜂窝增强低密度材料”。
这种材料在 飞船再入的530秒当中能够将飞船内的温度保持在30 左右,具体原理就是它能“吸热” ,并且这种材料的吸热效果非常好,用它来做热防护可谓再合适不过了。
并且,这种烧蚀材料是一次性的,毕竟在飞船再入大气的时候它已经燃烧得差不多了,所以很难被二次利用。再者这种材料的价格也很昂贵, 每公斤的价格就要8000元人民币。 大家可以想象一下,涂满飞船的返回舱,需要耗费多少, 因此航天工程的“烧钱程度”确实很恐怖。
航天院的工程师在介绍上文所说的烧蚀材料时表示, 他们研制这一材料整整耗费了15年的时间,就是为了最后回来的这530秒,前后仅是记录档案都有满满的十几盒,每盒的文稿不少于十册。
不少人表示疑惑,热防护真的有这么重要吗?假如热防护没做好会有什么后果? 美国的哥伦比亚航天飞机爆炸就揭示了烧蚀材料以及热防护的重要性。
这一事件发生于 2003年的2月1日,根据相关报道显示:当天的8点44分时,重达100吨的哥伦比亚航天飞机正在穿过大气,时速大约是28000公里。 这时大气与机体之间的摩擦,使得 表面快速升温至1400 。一分钟以后,当人们从地面可以观测到哥伦比亚号时,发现有碎片掉落。 又过了约4分钟之后,飞船与地面失联。
调查报告显示, 哥伦比亚号在高度60公里的位置开始解体 。它的解体爆炸, 使得飞船内的7名宇航员全部丧生。
随后,工程师经过一系列的调查之后发现, 发射时一块泡棉脱落,撞击到了飞船左翼,砸出了一个约25厘米的洞。 机翼本身是由隔热片覆盖着的,这个洞意味着有一处隔热片损坏了。因此, 飞船再入大气时,高温气体就顺着这个洞进入了机身内部,最终导致飞船爆炸解体。 可见,那个泡棉是主要原因, 隔热板的“脆弱性”也是推手。 所以,热防护对于保障宇航员的生命安全是非常重要的,容不得一点马虎。
这一事故使得大家开始关注新型隔热材料,毕竟 哥伦比亚号上的隔热瓦本身是一种十分脆弱的陶瓷材料。 虽然对高温耐受能力极强,但是这样一碰就碎的情况使得它为飞行、返航增加许多不确定因素。 如何保障飞船在返航时的安全性,是科学界一直在 探索 和实验的事情。
民间有句古话是“上山容易下山难”, 航天工程也有这个问题,姑且可以理解为“上天容易下地难”。 为什么这么说呢?前文中所说的热障就已经很危险了,但飞船返回过程中还会遭遇其他现象, 其中有一种现象被称为“黑障” 。
黑障 指的是, 飞行器周围形成的高密度等离子体鞘层造成的与地面失联的现象。 这种鞘层会反射或者吸收电磁波, 使得信号彻底中断,从而影响地面指挥部对返回舱的追踪定位。
一旦发生什么意外,飞船内的宇航员算得上是“叫天天不应叫地地不灵”了。 并且在高速下落的影响下,宇航员会出现头晕甚至晕厥的现象,如果发生意外想要依靠宇航员操作来控制返回舱是很难的事情。
在地球上最浪漫的事情,就是和爱的人一起看一场流星雨。 其实部分耀眼的流星就是没有穿“隔热防护衣”进入大气的小飞船。 它们能发出这样耀眼的光, 实际上就是与大气摩擦燃烧自己的结果。 初进入大气的流星其实体积质量还是很大的,不过后续的摩擦燃烧明显是起到了“减肥”效果。
绛旓細椋炶埞杩斿洖鏃跺彈鍒扮殑鎽╂摝鍔涙瘮鍙戝皠鏃鍙楀埌鐨勬懇鎿﹀姏灏,鎵浠鍗囩┖鏃椋炶埞琛ㄩ潰鐨勬俯搴﹀苟涓嶄細鐗瑰埆楂,灏辨洿涓嶅彲鑳藉嚭鐜扮噧鐑х幇璞′簡銆 鍏舵,灏鏄ぇ姘斿眰鐨勫師鍥犮 澶ф皵灞傛槸瓒婂悜涓婅秺绋钖勭殑,瓒婇潬杩戝湴琛ㄨ秺绋犲瘑,鍏堕樆鍔涗笉瑷鑰屽柣銆 澶ф皵鍦鏈搴曞眰涔熷彨鎽╂摝灞,鍦ㄨ繖涓寖鍥村唴鐗╀綋鐨勮繍鍔ㄤ細鏄庢樉鍙楀埌鍦拌〃鎽╂摝鍔涚殑浣滅敤銆 椋炶埞鍙戝皠鏄粠澶ф皵绋犲瘑閮ㄥ垎...
绛旓細娴佹槦浣绌胯繃澶ф皵灞傛椂寮濮嬪彂鍏夊悓鏍蜂篃鏄縺娉㈠姞鐑紝瀹冨ぇ绾︿細鍦120鍗冪背宸﹀彸楂樺害鍗宠绋钖勫ぇ姘旂殑婵娉㈠姞鐑埌寮濮嬪彂鍏夌殑绋嬪害锛屾渶浣庨珮搴﹀ぇ绾﹀湪35鍗冪背楂樺害宸﹀彸娑堝け锛屽洜涓哄埌姝ゅ澶ф皵瀵嗗害澧炲姞锛岄熷害鍑忓急鎴栬呰В浣撶瓑锛屽ぇ閮ㄥ垎鏉炬暎鏉愯川娴佹槦浼氬湪杩欎釜楂樺害瑙d綋鐖嗙偢锛屾瘮濡傝溅閲岄泤瀹炬柉鍏嬬殑灏忚鏄熷氨鍦ㄨ繖涓珮搴︾垎鐐镐簡锛椋炶埞鐢变簬杩斿洖閫熷害姣旇緝...
绛旓細鐜鐨勪笉鍚屼篃鏄鑸瑰湪杩斿洖鏃剁噧鐑х殑鍘熷洜涔嬩竴銆鍙戝皠鏃讹紝椋炶埞鍙楀埌鍦扮悆寮曞姏鐨勬潫缂氾紝閫熷害鍙兘閫愭笎鍔犲揩锛绌胯繃澶ф皵灞鐨勯熷害鎺ヨ繎绗竴瀹囧畽閫熷害銆傝岃繑鍥炴椂锛岄鑸瑰湪瀹囧畽涓殑鐪熺┖鐜涓嬮熷害鎸佺画澧炲姞锛岃繘鍏ュぇ姘斿眰鍚庝笌鍘嬬缉绌烘皵鍙戠敓鍓х儓鎽╂摝锛屽洜姝ゅ鏄撳彂鐢熺噧鐑с備负浜嗕繚鎶ゅ畤鑸憳鐨勫畨鍏紝椋炶埞鍦ㄨ璁℃椂閰嶅浜嗏滈伩鐏。鈥濄傝繖绉嶇壒娈...
绛旓細灏辩洰鍓嶆潵鐪嬶紝鎴戜滑鍙兘鍒╃敤鍦扮悆鐨勫ぇ姘斿眰鐨勯樆鍔涙潵瀹屾垚鍑忛燂紝杩欏叾瀹炴槸涓绉嶆湁鐫杈冮珮椋庨櫓鐨勫仛娉曪紝鍥犱负褰椋炶埞浠ュ緢楂樼殑閫熷害绌胯繃澶ф皵灞傜殑鏃跺欙紝灏变細鍙戠敓寮虹儓鐨勬皵鍔ㄥ姞鐑幇璞★紝浠庤屽鑷撮珮娓╃殑浜х敓銆傞渶瑕佹寚鍑虹殑鏄紝鏈変笉灏戜汉閮借涓鸿繖绉嶉珮娓╂槸鍥犱负椋炶埞涓庡湴鐞冨ぇ姘斿眰涓殑绌烘皵鎽╂摝浜х敓鐨勶紝浣嗗疄闄呬笂鍗村苟涓嶆槸杩欐牱鐨勩傝櫧鐒堕珮閫...
绛旓細澶┖椋炶埞杩斿洖鏃朵細缁忓巻楂樻俯锛屼负浠涔堝崌绌烘椂涓嶄細鍛紵鍘熷洜鍦ㄤ簬鐏鍗囩┖鏃讹紝鍏堕熷害骞朵笉蹇銆傜伀绠捣椋炴椂鐨勯噸閲忓ぇ锛屽苟涓旂瀵嗙殑澶ф皵灞備細浜х敓寰堝ぇ鐨勯樆鍔涳紝鎵浠ョ伀绠姞閫熷洶闅撅紝閫熷害杈冨皬锛屾皵鍔ㄧ儹鏁堝簲骞朵笉寮虹儓銆傚綋鐏绌胯繃绋犲瘑鐨勫湴鐞冨ぇ姘斿眰涔嬪悗锛岀敱浜庣┖姘旈樆鍔涙洿灏忥紝鐏鐨勮川閲忓彉寰楁洿浣庯紝鍚庣画鐨勫姞閫熷彉寰楁洿瀹规槗锛屽苟涓斾篃涓嶄細...
绛旓細浣嗘槸褰撲粬鍥炲埌鍦扮悆鐨勬椂鍊锛岃繖涓熷害鍙槸寰堝揩鐨勩傝櫧鐒跺湪閫鍥炵殑杩囩▼褰撲腑锛屽凡缁忛氳繃閫夋嫨鎶樺皠瑙掑害鏉ラ檷浣庨鑸圭殑閫熷害銆備絾鏄洜涓鸿秺鎺ヨ繎鍦拌〃鍙楀埌鐨勯噸鍔涙帴灏辫秺澶э紝鎵浠ュ鏋滀笉鍔犱互鎺у埗鐨勮瘽锛岄鑸鐨勯熷害灏嗕細寰堝揩锛岃繖涓鐐瑰氨绫讳技浜庨櫒鐭筹紝闄嶈惤鍦扮悆鐨勬椂鍊欏線寰浼氳鐕冪儳娈嗗敖銆傛墍浠ラ鑸归檷钀藉湴鐞冨畠鐨勯熷害浼氬緢蹇紝杩欎釜鏃跺欏崟绾殑鑷姩...
绛旓細鍙︿竴鏂归潰锛岄鑸杩涘叆鍦扮悆鐨勮搴︿篃涓嶈兘澶皬銆傚惁鍒欓鑸瑰湪椋炲悜娴撳瘑鐨勫湴鐞澶ф皵灞傛椂锛屼細琚弽寮瑰洖澶┖涓紝鏃犳硶姝e父鍙楁帶杩斿洖鍦扮悆銆備笉杩囷紝鎺у埗濂借搴︼紝椋炶埞鑳戒互璺宠穬寮忓啀鍏ュぇ姘斿眰銆傞鑸瑰啿鍏ュぇ姘斿眰鍚庯紝琚脊鍥炲お绌轰腑锛屽厖鍒嗗噺閫熷悗锛岀劧鍚庡啀杩涘叆澶ф皵灞傘傞氳繃杩欐牱鐨勬柟寮忥紝鍙互璁╅熷害杈惧埌绗簩瀹囧畽閫熷害锛11.2鍏噷/绉掞級鐨...
绛旓細杩欐椂鍗槦宸茬粡绂诲湴闈50〜100鍗冪背楂橈紝閭i噷鐨勫ぇ姘斿瘑搴﹁繕 娌℃湁鍦伴潰鐨1%銆傘傚綋鍗槦杩涘叆杞ㄩ亾鏃讹紝閫熷害杈惧埌姣忕閽7銆9鍗冪背銆傚彲鏄敱浜庨珮搴︽洿楂橈紝 澶ф皵鏇村姞绋钖勪簡銆傛墍浠ワ紝鍦ㄤ汉閫犲崼鏄鍙戝皠杩囩▼涓紝铏界劧鐢变簬绌烘皵鎽╂摝鑰屼骇鐢熺殑娓╁害 鐩稿綋楂橈紝浣嗘瘮娴佹槦绌胯繘澶ф皵灞鏃剁殑娓╁害瑕佷綆寰楀锛屾墍浠涓嶄細琚儳鎺夈備絾灏界杩欐牱锛 ...
绛旓細杩欐槸鍥犱负鐏鍦ㄩ琛鐨勬椂鍊欙紝瀹冪殑閫熷害寰堟參銆傜伀绠脊鍦ㄨ捣椋炴椂閲嶉噺宸ㄥぇ锛岃屼笖瀵嗛泦鐨澶ф皵灞浼氶犳垚宸ㄥぇ鐨勯樆鍔涳紝鍥犳鐏鍔犻熷洶闅撅紝閫熷害杈冨皬锛屾皵鍔ㄧ儹鏁堝簲涔熶笉寮恒傚湪鐏绌胯秺瀵嗛泦鐨勫湴鐞冨ぇ姘斿悗锛岀敱浜庣┖姘旈樆鍔涜緝灏忥紝鐏鐨勮川閲忚緝浣庯紝杈冨鏄撻殢鍚庣殑鍔犻燂紝鍚屾椂涔涓嶄細鏈夊己鐑堢殑姘斿姩鐑奖鍝嶃傛鏄敱浜庤繖涓師鍥狅紝鍝ヤ鸡姣斾簹鍙...