相信大家最近都在等待這一天的到來,嫦娥五號帶著月球樣本成功著陸地球了。自2020年11月24日發射升空以來嫦娥五號探測器的每一個新動態吸引了很多朋友的關注,登陸月球、月面取樣、月面起飛、交會對接、返回地球等過程難度都非常大,由於涉及到很多方面的技術,如果哪一個環節出現意外,都可能會導致任務的失敗。特別是在最後等待返回地球的階段,由於等待返回地球的窗口時間較長,所以很多朋友估計都急不可耐了。現在看到返回器將樣本成功送回地球,我們心裡的大石頭終於落地了。
為何嫦娥五號返回時會燃燒
其實,不僅僅嫦娥五號探測器在返回地球時會燃燒,在大氣中燃燒的現象非常常見,我們時常看到的流星雨、火球等自然現象,和探測器返回地球的情況是相似的。不論是探測器、飛船,還是這些天然物體(隕石、流星體碎片等),在進入地球大氣層時的速度都非常快,而地球有一個非常濃密的大氣層,所以這些進入地球的物體就會與空氣劇烈摩擦,溫度會越來越高,最後看起來就像一個在燃燒的「火球」。一些衛星、飛船殘骸、火箭殘骸在太空中返回地球時,也會燃燒起來。
嫦娥五號探測器返回器在準備進入地球大氣層時初始速度非常快,接近地球的第二宇宙速度,所以在空氣中摩擦燃燒起來是很正常的。不過,由於嫦娥五號返回器以「打水漂」的方式返回地球,第一次進入大氣層後會彈出去,然後再次進入大氣層,所以可以減低速度來減弱熱的影響。也是因為這個「燃燒」的原因,所以能夠載人航天的國家並不多。因為載人航天需要將太空人安全帶回地球,而載人飛船在進入大氣層時也會燃燒,飛船對隔熱材料的要求非常高,很多國家都沒有掌握這樣的技術,所以載人航天的門檻非常高。
那為什麼探測器在發射升空的時候不會燃燒呢?在發射之前,探測器與地球的相對速度為0,這時候當然是不會有摩擦生熱的問題。當運載火箭將探測器發射升空時,探測器並不是直接暴露在大氣中,而是在火箭的前端有一個「整流罩」,也可以保護這些探測器、飛船。除此之外,火箭在發射升空時,速度是慢慢增加的,一開始速度不會很快,當速度達到比較快時,火箭已經離地面比較高,而在高空中大氣會越來越稀薄,這時候就算還存在摩擦生熱,產生的熱量也不會很多了。所以,不論是嫦娥五號探測器,還是其他探測器、衛星、飛船等太空飛行器,在發射階段原則上都不會燃燒起來,除非飛錯方向,火箭沒有朝著太空飛去,而是在大氣層內亂竄。
火星探測器著陸火星也會燃燒
我們這些飛行器在進入有大氣層的星球時,都難免會遇到燃燒的問題,不僅僅是飛船、探測器返回地球時才會出現,探測器在登陸火星時同樣面臨這樣的情況,因為火星還有一個比較稀薄的大氣層。不過和地球的情況相比,登陸火星的燃燒情況就沒那麼劇烈。
一方面是火星大氣層比較稀薄,空氣動力加熱的效果不會很強。另一方面,探測器在進入火星大氣層之前的速度會比較慢,所以摩擦生熱的情況相對較弱。這是因為火星的質量較小,所以火星的第一宇宙速度、第二宇宙速度都比較小。探測器在著陸火星前的速度大約為2萬公裡每小時,需要將與火星的相對速度下降到0,才能實現在火星表面軟著陸。由於火星有大氣層,所以在著陸時候不僅僅需要考慮到火星引力等因素的影響,還需要考慮到大氣層的影響。由於火星與地球比較遠,存在較長的通訊延遲,所以著陸前我們需要先將控制探測器飛行的數據提前注入,然後由探測器實現軟著陸。這個著陸火星的過程大約持續7分鐘,所以也被稱為「恐怖7分鐘」,這是火星探測任務中技術難度最大、失敗率最高的一步。
我們的天問一號火星探測器現在已經在前往火星的路上,截止至2020年12月14日,天問一號與地球的距離超過1億公裡,與火星的距離僅為1200萬公裡。隨著探測器不斷朝著火星飛去,離火星也會越來越近了。按照計劃,天問一號預計在2021年2月到達火星,然後在2021年5月擇機實施軟著陸,將火星車送上火星表面。到時候,天問一號在著陸火星時,同樣面臨「火球」的情況。不過,我們不需要擔心火星探測器會被燒毀,因為在製造探測器的時候就考慮到這些問題了,會解決隔熱的問題,所以原則上是不會燒壞探測器的。