火箭点火后升空进入太空的景象令人震撼,而返回舱重返地球时却因与大气摩擦而烧焦,这是为什么呢?这显然与速度密切相关。火箭需要达到每秒7.9公里的速度才能送飞船进入地球轨道,这就是所谓的第一宇宙速度。若速度不足,就无法摆脱地球的引力。而当返回舱重新进入大气层时,其速度仍然接近每秒7.9公里,因为无论从何处返回,返回舱都需沿着地球轨道飞行一段距离,以调整航向和姿态,因此在刚开始重返时速度不会低于这一数值。
既然起飞和返回的速度都相近,为什么只有返回时会烧焦呢?因为火箭起飞是一种加速过程。地球的大气分层包括对流层、平流层、中间层和热层。在火箭升空的过程中,速度逐渐加快,到达约80公里高的中间层上缘时,速度也仅有每秒四到五公里。这种速度不足以因大气摩擦引发燃烧。而更高层的大气由于更为稀薄,即使速度加快,也不至于引起激烈摩擦的燃烧问题。然而返回舱再入时的情况却截然不同。
返回舱重返地球是在进行自由落体运动,初速度是每秒7.9公里。在上层大气中,由于空气稀薄,减速不明显。当进入约80公里高的中间层,大气变得密集,返回舱与之摩擦剧烈,导致外壳温度飙升至惊人的2000℃。这一过程中存在相当大的风险,历史上曾有飞船在返回中解体的悲剧,如美国的哥伦比亚号航天飞机。然而,人们为什么不改变返回方式,比如提前减速呢?
要减慢返回舱的速度,有两种方法:反向推进或提前开伞。返回舱装有降落伞,这是确保安全着陆的关键。降落伞通常在距地10公里左右处打开,首先是用于减速的小伞,随后才是面积达到1200平方米的主伞。主伞就像雨伞下挂着一颗弹珠。在着陆后,降落伞立即与返回舱分离,以防被风拖动。然而,由于高层大气的低密度,即使提前开伞也无济于事;伞和舱体一样会被烧毁。所以提前开伞不可行。反向推进理论上可以实现,但将显著增加火箭的燃料负载,降低运载能力,使得可携带的有效载荷大幅减少。
考虑各种因素,允许返回舱自由落体是最便捷以及经济的选择,我们所要做的是提升返回舱的隔热能力,以保护航天员的安全。对于航天员而言,返回过程中不仅要承受舱体外的高温,还要经历失去通讯联系的几分钟。由于在中间层,返回舱被电离层包裹,导致信号中断。这个过程中航天员只能自己应对外界的一切变化,直到返回舱成功着陆。
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