飛船返回再入大氣層,是做減速還是加速運動?多少人都理解反了!

2020-12-16 地球新觀察

本文參加百家號科學#了不起的天文航天#系列徵文

原標題:為什麼飛船返回地球時,要不惜燃燒的危險加速通過大氣層?

感謝提問,這個問題本身就存在誤解,飛船返回地球後是不可能呈加速運動的,而且也沒有飛船的再入過程是需要加速的案例。如果真是這樣的話你知道落地的瞬時速度會是多大嗎?這個恐怕早已超過了返回艙所能承受的撞擊的極限吧,那就更不用說返回艙內的航天員了,具體什麼場面我就不講了,自己腦補一下。

眾所周知,由於地球引力的存在,因此所有繞地球飛行作圓周運動的物體就必須要達到第一宇宙速度,也就是每秒7.9公裡,而要克服地球引力的束縛飛離地球進入到環繞太陽運行的軌道,就必須要達到第二宇宙速度,也就是每秒11.2公裡。

從上文第一宇宙速度和第二宇宙速度的定義的內容中不難得出,當環繞地球做圓周運動的物體一旦速度低於第一宇宙速度或第二宇宙速度(7.9公裡/秒、11.2公裡/秒),那麼該物體將會在地球的引力作用下不斷下降,也就是引力勢能轉變為動能。因此要想讓飛船返回地球,首先必須要降低飛船原來的速度,只有這樣才能降低飛船的軌道以及為後續相關操作做準備。

當關閉飛船的發動機後,由於地球高層大氣十分稀薄,因此在飛船下降過程的初期可理解為飛船僅在地球的萬有引力作用下運動。這時候雖然飛船的速度有所降低,其高度也在不斷的下降,但是隨著勢能的不斷轉換,飛船的下降速度隨之增加。

當飛船到達地球大氣層頂部時,飛船的外殼會與地球大氣層發生劇烈摩擦和燃燒(就如同隕石墜落一樣),這一過程會使飛船的頭部溫度達幾千攝氏度,但也會因為大氣的阻力而使飛船減速,而且減速度可以達到飛船重力的好幾倍。

實際上飛船進入地球大氣層後,大氣層就充當了飛船的「降落傘」,飛船在大氣的阻力下持續「剎車」直至距地面約10000米的高度降低為「音速」或「亞音速」,這個時候飛船已經差不多消耗了約99%的動能了,便可打開減速傘實行人工減速,最後以每秒10米的速度著陸。

從飛船返回地球的過程來看,先後經過了降速、增速再到降速的過程,由於飛船再入大氣層後,會以很高的速度與大氣層發生劇烈摩擦和燃燒,這一過程是相當危險的,也是航天員最難受的階段,同時這一加速的過程也是不可控的,因此除了「不惜燃燒的危險加速通過大氣層」別無它選,畢竟要想加上反推火箭在技術上沒有較大難度,但這樣既給發射帶來較大難度,同時也會使發射成本大幅增加。

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