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飞船同样穿过大气层,为何返回时会有高温,而升空时没有?
飞船同样穿过大气层,为何返回时会有高温,而升空时没有?

​当载人宇宙飞船或者运送货物的宇宙飞船完成太空任务之后,接下来将要面临十分危险的再入大气层过程。飞船在穿过稠密的地球大气层时,将会产生上千度的高温,威胁飞船的安全。

那么,为什么宇宙飞船要冒着烧毁的风险加速穿过地球大气层?为什么宇宙飞船不在太空中直接打开降落伞,然后慢慢降落回地球呢?

飞船同样穿过大气层,为何返回时会有高温,而升空时没有?

宇宙飞船在太空中以很快的速度绕着地球旋转,例如,载人飞船一般在距离地表400公里的轨道上环绕地球运动,其轨道速度为7.7公里/秒。想要把这么快的速度降为零,绝非易事。

当飞船要返回地球时,制动火箭将会启动,对飞船进行减速,降低飞行高度,使其脱离原先的轨道,进入一个与地球表面相交的轨道,这样飞船就能踏上返回地球的旅途。

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不过,飞船并不是竖直落向地球,如果是这样,在地球引力的作用下,加上飞船本身原有的速度,飞船将会以极高的速度冲进地球大气层。速度过快,气动热效应过强,巨大的热量会烧毁飞船。

另一方面,飞船进入地球的角度也不能太小。否则飞船在飞向浓密的地球大气层时,会被反弹回太空中,无法正常受控返回地球。

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不过,控制好角度,飞船能以跳跃式再入大气层。飞船冲入大气层后,被弹回太空中,充分减速后,然后再进入大气层。通过这样的方式,可以让速度达到第二宇宙速度(11.2公里/秒)的飞船返回地球。

目前,我国的新一代载人飞船试验船已经成功通过跳跃式再入大气层。未来,载人登月飞船可以通过这种方式返回地球。

飞船同样穿过大气层,为何返回时会有高温,而升空时没有?

一般而言,飞船会以大约3度的再入角进入大气层。只有以合适的角度再入大气层,飞船既不会烧毁,也不会弹出太空,可以利用大气层进行充分减速。

由于飞船并不是静止从太空中落回地球,在太空中打开降落伞是没有意义的。首先,太空几乎是真空的,降落伞打不开,根本起不到减速作用。其次,飞船以极高的速度返回进入大气层,与空气的相互作用将会产生巨大的热量,降落伞会被烧毁。

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飞船以极高的速度再入大气层,将需要面对高温挑战。当飞船在大气层中高速飞行时,飞船前端会强烈压缩空气形成激波,由此产生巨大的热量。为了应对上千度的高温,飞船外层包裹着隔热材料,或者能够剥离带走热量的烧蚀材料。

高温还会让飞船周围的空气发生电离,形成等离子体。这会阻断飞船与地面控制中心的通信,飞船进入“黑障区”,这是返回时最为危险的阶段。

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2003年,美国宇航局(NASA)的哥伦比亚号航天飞机在再入大气层期间,由于过热而导致解体,这个隐患是在发射时埋下的。在哥伦比亚号发射升空时,一块公文包大小的泡沫从***燃料箱上脱落,撞上航天飞机的左侧机翼,砸出了一个25厘米宽的破洞。当航天飞机再入大气层时,巨大的热量涌入破洞,最终引发解体。

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那么,为什么航天飞机在飞上太空时没有解体?或者说为什么飞船在升空时不会产生高温?

飞船在升空时,由于巨大的重力和空气阻力,加速十分困难,飞船的速度并没有被加速到很快的速度。在冲出浓厚的大气层时,飞船的速度也只有大约1公里/秒,这样的速度不会产生巨大的热量。因此,升空时的气动热效应不会产生什么威胁。

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穿过黑障区之后,飞船的速度已经大幅度降低。随着高度的下降,空气密度也变得越来越高。待到合适的速度,飞船的降落伞才会打开,这样才能给飞船起到减速作用。一些飞船在着陆之前还会启动反推火箭,使飞船最终能够安全着陆。

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