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船也会穿过大气层,为什么返回时会有高温,而起飞时就不会有高温呢?

时间:2020-11-07 20:03:32


?当载人飞船或货轮完成太空任务时,它将面临一个非常危险的重返大气层的过程。当宇宙飞船穿过致密的地球大气层时,会产生数千度的高温,威胁到航天器的安全。

那么,为什么宇宙飞船冒着燃烧加速穿越地球大气层的危险呢?为什么飞船不直接在太空打开降落伞,然后缓慢地降落在地球上?

宇宙飞船在太空中以快速的速度绕地球旋转。例如,载人宇宙飞船一般在离地面400公里的轨道上绕地球运行,轨道速度为每秒7.7公里。要将如此快的速度降到零是不容易的。

当航天器即将返回地球时,制动火箭将启动,减速航天器,降低其高度,将其从原轨道分离,进入与地球表面相交的轨道,以便航天器能够踏上返回地球的旅程。

然而,宇宙飞船不会垂直坠落到地球上,如果是这样的话,在重力的作用下,再加上航天器本身的原始速度,航天器就会以很高的速度冲进地球的大气层。速度太快,气动热效应太强,巨大的热量会烧掉飞船。

另一方面,宇宙飞船进入地球的角度不能太小。否则,当宇宙飞船飞到致密的地球大气层时,它将被弹回太空,无法在正常控制下返回地球。

然而,当角度被控制时,宇宙飞船可以通过跳跃重新进入大气层。当宇宙飞船冲进大气层后,它被反弹回太空,完全减速,然后进入大气层。这样,第二宇宙速度(11.2公里/秒)的宇宙飞船就可以返回地球。

目前,中国新一代载人飞船试验船已经成功地通过跳跃重返大气层。未来,载人月球飞船将以这种方式返回地球。

一般情况下,航天器以大约3度的再入角进入大气层。只有以正确的角度重新进入大气层,航天器才不会燃烧或弹出进入空间,才能利用大气层完全减缓速度。

由于宇宙飞船不是静止的,从太空返回地球,在太空中打开降落伞是没有意义的。首先,空间几乎是真空的,降落伞不能打开,根本不能减速。其次,当宇宙飞船以非常高的速度返回大气层时,与空气的相互作用会产生巨大的热量,降落伞就会烧毁。

当飞船以非常高的速度返回大气层时,它将不得不面对高温的挑战。当航天器在大气中高速飞行时,航天器的前端将强烈压缩空气,形成冲击波,从而产生大量热量。为了应对数千度的高温,飞船的外层涂上了隔热材料,或者可以剥离带走热量的消失材料。

高温还会使航天器周围的空气电离形成等离子体。这将阻碍航天器与地面控制中心之间的通讯,航天器进入黑色屏障,这是返回时最危险的阶段。

2003年,美国宇航局(NASA)的哥伦比亚号航天飞机在重返大气层时过热而解体,这是一种在发射过程中被掩埋的隐患。当哥伦比亚号发射时,一个公文包大小的泡沫从外燃料箱掉下来,击中了航天飞机的左翼,并打碎了一个25厘米宽的洞。当航天飞机重新进入大气层时,巨大的热量涌进了这个洞,最终分解了。

那么,为什么航天飞机在飞向太空时不解体呢?或者为什么飞船起飞时不产生高温呢?

宇宙飞船起飞时,由于重力和空气阻力很大,很难加速,航天器的速度也没有加速到非常快的速度。当它们冲出大气层时,船的速度只有每秒1公里左右,不会产生大量热量。因此,发射时的气动热效应不会造成任何威胁。

经过黑障后,航天器的速度大大降低。随着高度的降低,空气密度越来越高。在适当的速度下,飞船的降落伞会打开,这样飞船就能减速。一些飞船在着陆前也会开始后退火箭,这样飞船最终才能安全着陆。

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