原创 飞船同样穿过大气层,为什么返回时会有高温,升空时却没

目前,无论是载人飞船还是货运飞船,都是由火箭发射升空的。太空船完成任务后如何返回地球?

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航天器返回时,它们被重力加速向下。但同时,稠密的大气层会使航天器减速。一般来说,航天器返回地球的速度要慢于加速着陆。根据牛顿力学,地球的第一宇宙速度为7.9公里,这是航天器的最大轨道速度。随着轨道高度的增加,轨道速度逐渐减小。载人航天器的轨道高度一般为400公里,相应的轨道速度约为7.7公里/秒,由于动能巨大,航天器本身没有足够的燃料来减速,只能依靠地球稠密的大气层来减速。

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航天器首先启动火箭发动机在轨制动,使其在地球引力作用下脱离原轨道进入大气层。一般来说,100公里是空间分界线。航天器重返大气层的方式有很多,如弹道、跳跃和滑翔,其中任何一种都是利用空气阻力来减速的。在再入过程中,由于航天器前面的空气受到强烈压缩(而不是航天器与空气摩擦),航天器外表面的温度上升到1000度以上。为了保证航天器的安全,需要采取措施应对这种高温。

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航天器如何应对高温?中国神舟载人飞船系列将在飞船外表面涂上烧蚀材料,在高温作用下烧掉,离开飞船,从而带走大量热量。美国航天局的航天飞机使用隔热瓷砖,腹部用隔热陶瓷,机翼和机头用碳碳复合材料,机身用其他隔热材料。绝热材料对航天器的安全返回起着重要作用。2003,当美国宇航局的哥伦比亚航天飞机起飞时,外部燃料箱上的泡沫落下并击中机翼,刺穿了机翼上的热瓦。哥伦比亚号航天飞机返回时,热气体从其机翼上的小孔中涌入,导致航天飞机解体,机上7名宇航员全部遇难。

当飞船的速度完全减速时,巨大的降落伞将打开,进一步使飞船减速到每秒10米以上。当中国神舟载人飞船离地1.4米左右时,还将发射一枚推力火箭,使飞船安全着陆。美国宇航局的航天飞机滑翔返回地球,当它最终着陆时打开降落伞刹车。飞船返回时将经历高温。为什么不在起飞时呢?原因是火箭起飞时速度不是很快。火箭起飞重量大,大气层稠密会产生很大阻力,火箭加速困难,速度小,气热效应不强。

火箭通过稠密的地球大气层时,由于空气阻力较小,火箭的质量变得较低,随后的加速变得更容易,不会产生强烈的气热效应。这就是为什么哥伦比亚号航天飞机能够安全地飞入太空。如果未来能建造太空电梯,就不会有巨大的速度变化,也不会有极高的温度,隔热也不再是大问题。但目前还没有高强度的材料,空间电梯还处于理论研究阶段。

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