為什麼火箭飛出去的時候沒事,飛船回來就要燃燒呢?關鍵在于速度

火箭點火升空離開地球的過程蔚為壯觀,而返回艙回來的時候卻總是在與大氣的摩擦中燒成個黑炭,這是為什麼呢?

很顯然,這是一個與速度有關的問題。火箭要達到何種速度才能將飛船送上地球軌道呢?當然是每秒7.9千米,這就是我們所說的第一宇宙速度,如果低于這個速度,那麼則無法擺脫地球引力的束縛。那麼返回艙返回地球的時候,速度又有多快呢?

同樣也是每秒7.9千米,因為無論返回艙是從哪里回來的,它都必須要在地球軌道飛上一陣,以便調整飛行軌跡和角度,等待到達返回位置時再開啟發動機返回地球。要圍繞地球運行,就必須要有每秒7.9千米的速度,所以返回艙返回時的初始速度也不會低于這個數字。

既然同樣都是每秒7.9千米,為什麼飛出去的時候沒有事,回來就燒成了焦炭呢?

因為出去的時候火箭是在進行加速運動。地球大氣由下自上可以分為對流層、平流層、中間層和熱層,火箭升空時,速度逐漸增加,當到達位于地表80千米左右的中間層上緣時,火箭的速度也只有每秒4、5千米,以這個速度是不足以通過與大氣的摩擦而使火箭外殼發生燃燒的,而越往上,速度越快,同時大氣也變得越發稀薄,所以就更不會因為摩擦而導致外殼發生燃燒了。而當返回艙返回地球的時候,情況就不太一樣了。

返回艙在返回地球的時候,是在做自由落體運動,它的初始速度為每秒7.9千米。

由于高層大氣十分稀薄,阻力很小,所以當返回艙進入到距地表80千米左右的中間層時,速度也并未出現明顯的下降,由于速度太快,飛船外殼與愈發稠密的大氣發生了激烈的摩擦,于是便燒了起來,此時的外殼溫度甚至可以達到2000℃左右。宇航員返回地球的過程是一個充滿危險的過程,在人類的航天史上就發生過飛船在返回的過程中出現解體的事故,它就是美國的哥倫比亞號航天飛機。既然如此危險,人類為什麼不改變飛船返回的方式呢?為什麼一定要依靠自由落體,而不是提前減速呢?

要讓返回艙在返回地球的時候提前減速,無非就有兩種方式,一種是反向推進,另一種是提前開傘。

我們知道飛船的返回艙是配備有降落傘的,這是返回艙能夠安全著陸的必要保障。大約在距離地面10千米左右的位置,返回艙就會開傘,最先打開的是一個用于減速和調整位置的傘,我們稱之為「減速傘」,當返回艙順利減速并擺正位置之后,才會打開主傘,也就是我們最終所看到的那個大傘,它的總面積有1200平方公尺左右,返回艙和它相比,就好像雨傘下面掛了個彈珠,所以在著陸后,降落傘會迅速與返回艙脫離,以免在風的作用下返回艙被降落傘拖著到處亂滾。

無論是最后打開的主傘,還是率先打開的減速傘,它們都是利用了空氣阻力的原理。

而地球高層大氣密度很低,空氣極為稀疏,即便提前開傘,也無法起到減速的作用。再者,在與大氣的摩擦中,返回艙都被燒成了黑炭,降落傘如果提前打開,更是難以幸免于難,所以提前開傘是不可能的。那麼反向推進行不行呢?理論上是可行的,但這會大大降低火箭的運載能力。要想通過反向推進實現減速,返回艙就必須要攜帶大量的燃料,而這些燃料是從一開始出發時就要帶在身上的。化學動力火箭最主要的重量就是燃料,所以有效載荷才會如此不盡如人意,如何又要額外帶上一大堆用于減速的燃料,那麼能夠運上天的東西可就真是所剩無幾了。

綜合各種因素來考慮,讓返回艙以自由落體的方式回歸地面是最為方便的,也是最為經濟的,而我們所要做的就是做好返回艙的隔熱,以保證返回艙內部,特別是航天員的安全。

其實,對于航天員來說,乘坐返回艙回歸地球的過程中,除了返回艙外部的劇烈燃燒,還有一件事情是需要面對的,那即是數分鐘的失聯。在地球大氣的中間層區域,大氣呈現電離狀態,返回艙在穿越這一區域時會被離子包裹從而失去通訊能力,這一時間段恰好就是返回艙外殼發生劇烈燃燒的階段,而這一驚險的過程,只有航天員獨自面對。


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