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飛船升空時也要穿過大氣,為何只有返回時才會燃燒?燃燒是種保護
2021/10/27
2021/10/27

所謂上山容易下山難,這句話同樣也適用于航太發射。

每當談到爬山的時候,我們的關注點全部都落在「如何上山」之上,但不可否認的是,下山的確比上山更具難度,也更加危險。同樣的,在進行航太發射的時候,我們的關注點也都落在了「飛船發射」上,但很多人並不知道,其實返回遠比發射更具難度,也更加危險。觀看過航太發射的人都知道,火箭點火升空,直沖雲霄,火箭的尾部因燃料的燃燒而噴出熊熊烈火,甚是壯觀,但火箭的主體卻是安然無恙的。

相比之下,飛船的返回艙在回歸地球的時候就是另外一番景象了,它如同一顆火流星一樣變熱、燃燒,最終墜落地面已是滿面滄桑。這就很奇怪了,飛船在升空和返回時都要穿越大氣層,都會與大氣發生摩擦,為什麼只有返回時才會發生燃燒呢?

太空船要想離開地球飛往太空,單靠自身的力量是辦不到的,必須要借助于一種擁有強大推力的升空裝置,這種裝置就是我們現在所說的火箭。

從抬頭仰望星空的那一刻開始,人類就夢想著能夠到宇宙中去,然而要想離開地球並不容易,因為地球的引力實在太過強大了,弓箭、子彈這些普通的飛行道具無論如何努力,最終都會在引力的作用下逐漸減速,直至轉頭下落,無法離開地球,而它們無法離開地球的關鍵就是速度不夠。要擺脫地球的引力束縛,讓飛船進入地球軌道,就必須要達到第一宇宙速度,也就是每秒7.9千米,于是人們開始研究火箭,並在其中裝載大量的燃料,終于,大量的燃料產生了足夠的推力,火箭攜帶著太空船進入了太空。

而火箭升空時之所以不會燃燒,大體有三點原因。

其一,受地球引力的拉拽,火箭的初始速度和加速度都並不是很大,最終只是勉強能把飛船送出地球。其二,火箭升空時是垂直發射的,所以能夠以最快的速度穿過大氣。其三,火箭頭部配備有整流罩,可以有效隔絕熱量,保護內部的航天器。

那麼為何太空船的返回艙在回歸地球的時候就會發生燃燒呢?因為返回艙回歸地球時的速度要比升空時快得多,而且升空的時候,地球引力是在後面拖後腿,而返回時,地球引力卻是在前面幫忙拽,所以加速度也是很快的,如果放任不管,返回艙不僅會燃燒,還會最終摔個粉身碎骨。為了避免悲劇的發生,返回艙在進入大氣層後會先後利用緩衝火箭和巨型降落傘來幫助減速,最終將速度從剛進入大氣層時的每秒11千米降到每秒3.5米左右。

為什麼不從一開始就利用反推火箭把返回艙的速度徹底降下來呢?因為這樣做需要攜帶接近于發射時所使用的大量燃料。

化學動力火箭的運載能力是非常有限的,根本原因就是要攜帶大量的燃料,如果再將所攜帶的燃料翻一番,別說送飛船上天了,自己恐怕都飛不上去了。

為了能夠讓返回艙減速,所以就不能讓它像發射時那樣垂直墜落,要讓它以弧形或階梯型的路徑進入大氣,這樣一來,它所穿過的大氣就比升空時厚多了,所以與大氣摩擦的時間也就更長了,所產生的的熱量自然也就更多了。然而火箭在升空時,起保護作用的整流罩就已經分離了,所以返回艙失去了外部,為了隔絕熱量,就必須要設計一個保護層,而這個保護層所使用的是一種暫態高分子耐高溫材料製成的低導熱複合材料。

在返回艙進入大氣之後,隨著摩擦升溫,外部保護層會發生主動燃燒,通過有機物的燃燒,大量的熱量就此都帶走了。

由此可見,我們所看到的返回艙燃燒實際上是一種對返回艙的保護。當然,返回艙所搭載的是勝利完成任務的航太英雄,所以自然不可能只有一個保護層,宇航員在其中是絕對安全的。而返回艙隔熱材料的製造是具有相當難度的,這也是阻擋很多國家實現載人航太的重要門檻。

每當談到航太發射的時候,我們都把注意力集中在發射上,但其實「返回」才是最考驗功底的,這種考驗既包括「科技實力」,也包括「經濟實力」。在當今世界,能夠將飛船送上天的國家非常多,但是能夠保證太空人安全返回的卻寥寥無幾。




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