今亮点！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

2022-07-26 08:53:15 来源：科普中国

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？

(相关资料图)

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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