为什么宇宙飞船返回地球时,要不惜燃烧代价,高速穿过大气层?

西湖老李 2022-10-14 23:48:12

宇航员返回地球最危险的时候就是穿越黑障区,又称黑色障碍区。当返回舱进入黑障区后,舱内的宇航员会与指挥室失去联系,没人知道这段时间发生了什么。与此同时,返回舱外表在高速摩擦中被烧得通红。

宇航员需要在这样的危险中坚持4分钟。也许我们在地面不会觉得4分钟漫长,但是对于宇航员来说,这4分钟是无比漫长的。

黑障区指的是距离地面35到80千米的大气层,这里的气体因为高温摩擦、太阳辐射发生了电离。所以在降落穿越的时候,这些离子会包裹住整个返回舱,影响返回舱与指挥室的通讯,让双方都失去信号。

返回舱进入大气层的速度有多快?差不多是每秒7.9千米,因为在返回之前,需要围绕地球运动。等行驶到返回位置后,开启发动机,调整返回舱的飞行轨迹,当返回舱与地球表面的夹角为3度时,返回地球。

由于降落的速度过大,返回舱与气体离子产生剧烈的摩擦,从而让返回舱表面温度达到惊人的2000度。

不少人有疑惑,为什么不能提前减速,让返回舱不要以这么大的速度进入大气?比如,是否可以反方向加速,这样就可以缓慢穿越黑障区,返回舱也不会被烧得黢黑。

理论上是可以的,然而实际执行起来,难度太大!返回初速度实在是太大了,如果要削弱速度,必须反向点火。可是,地球大气最外层非常稀薄,差不多属于真空状态,如果反向点火,会让返回舱突然又返回到太空中,回了个寂寞。

再说了,这种消耗自身能量的减速方式,得燃烧大量的燃料,返回舱本身的承载量就不大,无法携带大量的燃料。如果真要采取这种模式回来,那么花费也将变得巨大,起码飞船就必须携带更多的燃料。

既然反向加速不行,那提起打开降落伞呢?返回舱的降落伞可不是说打开就打开的,而且它不止一个降落伞。一般来说,飞船返回地面的时候,需要三个降落伞,按照打开顺序为引导伞、减速伞和主伞。

在距离地面大约10公里的时候,就可以打开伞了。引导伞出场的时间很短,也就1秒钟,它的本质像一根引线,起到拉开整个伞包的作用。

引导伞非常小,几乎起不到减速的作用,真正减速的是后两个伞。引导伞正常工作后,第二个减速伞也迅速打开,它的作用就是进行减速和摆正返回舱的位置。

越靠近地面,大气密度就越大,由于摩擦等原因,返回舱不一定是正着落下来的。减速伞让返回舱来个突然“刹车”,减速的同时摆正姿势。

最后打开的伞是主伞,也就是我们看见神州飞船回来打开的上面有圆环的大降落伞。它有多大,伞的总面积足足有1200平方米,和它比起来,返回舱都显得袖珍。

当返回舱接触到地面的一瞬间,降落伞与返回舱的连接处自动切断,两者再也没有连接,就算风将降落伞卷走,也不会影响到返回舱。这么做的原因,是为了减少后续的伤害。

因为大伞的面积非常大,如果它还和返回舱相连,一旦遇上强风,吹动大伞后,它会拉着返回舱到处跑,导致返回舱在地面上滚动,里面的宇航员很有可能受伤。

至于为什么不提前打开降落伞,那当然是降落伞需要空气!大气层上表面空气稀薄,打开了降落伞也没办法撑开。而且当进入大气时的速度太快,如果打开降落伞,它也去参与摩擦,直接就被烧没了。

为什么不惜一切代价穿越大气层?返回舱以飞蛾扑火的态度穿越大气层的黑障区,不惜一切代价,哪怕外壳都已经燃烧起来。因为这是可以想到的,最便宜的返回方式。前面提到的反向加速需要额外燃烧能量,提前打开降落伞则需要提高降落伞的质量,制作出耐高温的降落伞材料。

这样算下来,价格会是自由落体返回的数倍。这种利用地球自身的引力返回的方式,整个过程中基本不用额外的能量,利用引力和空气阻力完成。

通过黑障区的主要危险就是高温和失去联系,失去联系这件事目前还无法克服,但是高温可以通过提高返回舱的材料质量来完成,这比研制高温降落伞更容易。

既然都是穿越大气层,为什么飞船上天的时候不会燃烧,但是回来的时候被烧得发红发烫呢?飞船如果想要离开地球进入太空的轨道,就必须以不小于7.9千米/秒的速度进入太空。

对于地球上发射的火箭来说,它需要加速升空。关于太空与大气的分界线,被称为冯·卡门线,距离地面100千米。

而黑障区的范围是距离地面35到80千米,火箭在这个区域的速度只有每秒4到5千米,这个速度的摩擦,还不足以将外表材料燃烧起来。

并且飞船升空,越往上走大气密度越小,那么摩擦也就越小;而返回舱降落,越往下空气密度也在增大,摩擦会越来越大。因此,飞船上升的时候,表面并不会被烧得通红,但是在降落穿越大气层的那时候,会被烧成“火球”。

其实从上个世纪60年代开始,人们就在寻找消除黑障区的方法,然而半个多世纪过去了,还是没能解决,因为黑障区的气体是人类无法控制的。

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西湖老李

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