为何飞船穿越大气层,只有返回时才发生燃烧?这是啥原理?

发布者:客至天涯 2023-1-7 23:29

飞船,是人类智慧的结晶,是探索宇宙的工具,是承载梦想的桥梁。自二十世纪70年代,我们成功实现登月载人飞行之后,飞船就成为人类触摸宇宙的“第一手资料”,50年间仅我国就发射了12艘载人飞船,并在飞行过程中将宇航员们完好无损的带回家。


Tips:宇宙Universe,在物理意义上被定义为所有的空间和时间(统称为时空)及其内涵,包括各种形式的所有能量。

但是在探索宇宙的过程中,飞行意外时有发生,其中较常见的是返回时的坠毁。2003年美国“哥伦比亚”号航天飞机,就在返回地球时,在空中爆炸解体了。此外还有许多的卫星和火箭的残骸在返回大气层时,也发生了燃烧解体事件。为什么这些飞船、火箭在发射穿越大气层时没有燃烧,却在返回时燃烧爆炸了呢?二者都有摩擦力,为什么独独在返程时燃烧,这是什么原理呢?

飞船出发时为何没有燃烧

目前世界各国的载人飞船都是有火箭运载发射,比如我们的神舟12号载人飞船就是通过长征2号F遥十二运载火箭。因此我们讲飞船出发就是讲的火箭出发。那么要搞懂这个问题,就要知道火箭发射的原理。


Tips:火箭自身携带全部推进剂,不依赖外界工质产生推力,可以在稠密大气层内,也可以在稠密大气层外飞行,是实现航天飞行的运载工具。

火箭起源于我国宋代,早期是放烟花的娱乐工具,到明代成为武器,到清朝被摒弃。现代火箭来源于,苏联数学老师康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基,他在著作中详细描述了用火箭探索宇宙的可能性,并提出可以用液氧和液氢作为火箭的推进剂,还研究出了齐奥尔科夫斯基火箭推进公式,是火箭研究事业的领航人。二战时期是火箭事业的野蛮生长期,这一阶段火箭的设计得到了完善,并为宇宙探索打下基础。冷战时期的太空竞赛,是火箭的大发展阶段,这一时期火箭开始承担航天运输任务。


Tips:康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基,1857年9月17日—1935年9月19日,现代宇宙航行学的奠基人,被称为航天之父。

火箭,简单说就是一种推进器,利用燃烧推进剂产生的巨大推力升空。因为地球上存在万有引力,不论扔什么东西上去,都会在引力的作用下垂直下落。而要摆脱引力飞出地球,就需要足够大的速度。火箭想要摆脱引力升空,它的速度必须要超过第一宇宙速度(7.9km/s),因此就要求火箭的燃料能产生足够强大的推动力。


Tips:引力Gravitation,即任意两个物体或两个粒子间的与其质量乘积相关的吸引力,自然界中最普遍的力,简称引力。

当火箭点燃发射升空之后,因为有引力的束缚因此速度较慢,因此即使与空气发生摩擦也不会发生燃烧。之后速度慢慢加快,但是因为火箭是垂直发射,穿过大气层的时间较快并且大气的温度较低,所以即使速度快,也能在燃烧之前就冲出大气层进入宇宙,而宇宙是真空环境,故而不存在摩擦反应,就不会燃烧。同时,火箭还有整流罩的保护,整流罩就是火箭头部的钢铁外衣,耐高温性极强。因此火箭在起飞穿越大气层时,才没有发生燃烧爆炸事件。那么为什么返回时火箭又发生了燃烧呢?

返回时燃烧的原因

与出发时相比,回来的飞船是“轻装上阵”,虽然没有那么重了,但是“上山容易,下山难”,飞船的返回过程可比发射复杂得多。首先它们要以宇宙第一速度的速度进入大气层,之后利用缓冲火箭和面积大约在一千多的巨大降落伞减速,最后飞船的返回舱以大约3.5米/秒的速度着陆。


Tips:降落伞是利用空气阻力原理,依靠相对于空气运动充气展开的可展式气动力减速器。现代的降落伞是人或物从空中安全降落到地面的一种航空工具。

但是在刚刚进入大气层的时候,返回舱的速度非常快大约能达到11公里/秒,因此其外壳会与大气层发生激烈的摩擦,产生大量的热量,这个过程叫做“气动加热”。在离地面80到40公里的稠密大气层时,气动加热过程达到最高点,返回仓表面温度达到1000到3000度,整个返回舱看起来就像一颗着火的流星。因此超高的速度是燃烧的原因之一。

没有整流罩的保护。在飞船随火箭飞出大气层时,即使最后的速度比较快也因为有整流罩的保护而顺利通过。但是当火箭飞出大气层后,这件钢铁保护服就完成使命,分成两半脱离飞船了。因此在回城时,失去整流罩的返回舱只能依靠自身外层的防火涂层来防火,而卫星之类的天体返回时却什么保护都没有,因此在进入大气层后,发生剧烈的摩擦,导致变成“火流星”。

Tips:整流罩用于保护卫星及其它有效载荷,以防止卫星受气动力、气动加热及声振等有害环境的影响,是运载火箭的重要组成部分。

飞行路径。因为返回舱进入大气层的速度在引力的作用下一直在增加,如果不减速的话返回舱就会像一颗陨石一样撞向地球。因此为了减速返回舱的路径就要发生变化,以一个弧形或者阶梯型的路径飞行,这样在大气层中逗留的时间更长,可以利用大气层的摩擦力减缓飞船的速度。但是在大气层中逗留的时间更长摩擦更强烈,就更容易发生燃烧事件。反之,火箭发射时,为了快速飞出大气层,使用的是垂直发射,速度即低又与大气接触时间短,因此没有燃烧的隐患。


Tips:大气层又称大气圈,是因重力关系而围绕着地球的一层混合气体,是地球最外部的气体圈层,包围着海洋和陆地,大气圈没有确切的上界。

环境不同。发射时因为地球的引力束缚,飞船的速度只能一点点地加快,因为穿过大气层的速度差不多在第一宇宙速度附近。而返回时初始速度较好,然后在宇宙中真空环境下速度一直增加,进入大气层后压缩空气并与之发生剧烈摩擦。因此出现燃烧。


Tips:第一宇宙速度的是7.9km/s,它是指让航天器可以环绕地球所需要的最小发射速度,此概念由牛顿提出。

以上就是,飞船为什么会在返回时发生燃烧坠毁事件的原因。但是现实中这样的意外事故是极为罕见的,因为我们的返回舱都是利用隔热材料制作。因此,返回舱足够安全,不必担忧宇航员的安危。那么这些“避火衣”是如何防火的呢?

飞船的“避火衣”

由于返回舱里搭乘着宇航员,为了保证他们的生命安全,所以航天设计师们为它精心设计了一件“避火衣”,由瞬时高分子耐高温材料制成的低导热复合材料。当飞船经过大气层时,这件神奇的避火衣遇见高温就会主动燃烧,利用有机物的燃烧带走大量热量,同时还形成一层碳化薄膜紧紧粘在返回舱表面,具有良好的隔热性能,防止高温侵入舱内。


Tips:飞船一般指宇宙飞船。宇宙飞船spaceship,是一种运送航天员、货物到达太空并安全返回的航天器。

此外,还可以利用导热性能好、熔点高、热容量大的钛合金等复合金属材料制作“避火衣”。这些材料吸热性好,能够在大气层的气动加热过程中吸收大量的热量,将其储存在外层中,保护舱体不受高温腐蚀。另外,还可以给舱体涂抹隔热涂料防止燃烧。

不过因为这些“避火服”的制造,需要强大的材料科学应用能力,因此许多国家即使有财力发射飞船也没有实力成功返回,这也是为什么如今的世界上只要我国、美国、俄罗斯三国有发射航天载人飞船的原因。


Tips:隔热服也叫热防护服,是重要的个体防护装备,指在接触火焰及炙热物体后能阻止本身被点燃、有焰燃烧和阴燃,保护人体不受各种伤害的防护服。

强大的科研能力是我国在星际科考中占上风的坚实后盾,而支撑科研实力的是强大的国力,国家的富强,才有我们在航天领域的辉煌。

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