为什么火箭飞出去的时候没事,飞船回来就要燃烧呢?关键在于速度


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为什么火箭飞出去的时候没事,飞船回来就要燃烧呢?关键在于速度


【为什么火箭飞出去的时候没事,飞船回来就要燃烧呢?关键在于速度】火箭点火升空离开地球的过程蔚为壮观 , 而返回舱回来的时候却总是在与大气的摩擦中烧成个黑炭 , 这是为什么呢?
很显然 , 这是一个与速度有关的问题 。 火箭要达到何种速度才能将飞船送上地球轨道呢?当然是每秒7.9千米 , 这就是我们所说的第一宇宙速度 , 如果低于这个速度 , 那么则无法摆脱地球引力的束缚 。 那么返回舱返回地球的时候 , 速度又有多快呢?同样也是每秒7.9千米 , 因为无论返回舱是从哪里回来的 , 它都必须要在地球轨道飞上一阵 , 以便调整飞行轨迹和角度 , 等待到达返回位置时再开启发动机返回地球 。 要围绕地球运行 , 就必须要有每秒7.9千米的速度 , 所以返回舱返回时的初始速度也不会低于这个数字 。

既然同样都是每秒7.9千米 , 为什么飞出去的时候没有事 , 回来就烧成了焦炭呢?
因为出去的时候火箭是在进行加速运动 。 地球大气由下自上可以分为对流层、平流层、中间层和热层 , 火箭升空时 , 速度逐渐增加 , 当到达位于地表80千米左右的中间层上缘时 , 火箭的速度也只有每秒4、5千米 , 以这个速度是不足以通过与大气的摩擦而使火箭外壳发生燃烧的 , 而越往上 , 速度越快 , 同时大气也变得越发稀薄 , 所以就更不会因为摩擦而导致外壳发生燃烧了 。 而当返回舱返回地球的时候 , 情况就不太一样了 。

返回舱在返回地球的时候 , 是在做自由落体运动 , 它的初始速度为每秒7.9千米 。
由于高层大气十分稀薄 , 阻力很小 , 所以当返回舱进入到距地表80千米左右的中间层时 , 速度也并未出现明显的下降 , 由于速度太快 , 飞船外壳与愈发稠密的大气发生了激烈的摩擦 , 于是便烧了起来 , 此时的外壳温度甚至可以达到2000℃左右 。 宇航员返回地球的过程是一个充满危险的过程 , 在人类的航天史上就发生过飞船在返回的过程中出现解体的事故 , 它就是美国的哥伦比亚号航天飞机 。 既然如此危险 , 人类为什么不改变飞船返回的方式呢?为什么一定要依靠自由落体 , 而不是提前减速呢?

要让返回舱在返回地球的时候提前减速 , 无非就有两种方式 , 一种是反向推进 , 另一种是提前开伞 。
我们知道飞船的返回舱是配备有降落伞的 , 这是返回舱能够安全着陆的必要保障 。 大约在距离地面10千米左右的位置 , 返回舱就会开伞 , 最先打开的是一个用于减速和调整位置的伞 , 我们称之为“减速伞” , 当返回舱顺利减速并摆正位置之后 , 才会打开主伞 , 也就是我们最终所看到的那个大伞 , 它的总面积有1200平方米左右 , 返回舱和它相比 , 就好像雨伞下面挂了个弹珠 , 所以在着陆后 , 降落伞会迅速与返回舱脱离 , 以免在风的作用下返回舱被降落伞拖着到处乱滚 。

无论是最后打开的主伞 , 还是率先打开的减速伞 , 它们都是利用了空气阻力的原理 。
而地球高层大气密度很低 , 空气极为稀疏 , 即便提前开伞 , 也无法起到减速的作用 。 再者 , 在与大气的摩擦中 , 返回舱都被烧成了黑炭 , 降落伞如果提前打开 , 更是难以幸免于难 , 所以提前开伞是不可能的 。 那么反向推进行不行呢?理论上是可行的 , 但这会大大降低火箭的运载能力 。 要想通过反向推进实现减速 , 返回舱就必须要携带大量的燃料 , 而这些燃料是从一开始出发时就要带在身上的 。 化学动力火箭最主要的重量就是燃料 , 所以有效载荷才会如此不尽如人意 , 如何又要额外带上一大堆用于减速的燃料 , 那么能够运上天的东西可就真是所剩无几了 。

综合各种因素来考虑 , 让返回舱以自由落体的方式回归地面是最为方便的 , 也是最为经济的 , 而我们所要做的就是做好返回舱的隔热 , 以保证返回舱内部 , 特别是航天员的安全 。
其实 , 对于航天员来说 , 乘坐返回舱回归地球的过程中 , 除了返回舱外部的剧烈燃烧 , 还有一件事情是需要面对的 , 那即是数分钟的失联 。 在地球大气的中间层区域 , 大气呈现电离状态 , 返回舱在穿越这一区域时会被离子包裹从而失去通讯能力 , 这一时间段恰好就是返回舱外壳发生剧烈燃烧的阶段 , 而这一惊险的过程 , 只有航天员独自面对 。

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