都是高速穿過大氣層,為何火箭返回時會高溫燃燒,升空時卻不會?

2020-12-06 六分鐘科普君

茫茫宇宙充滿著無數的奧秘,而人類又是一種好奇心很強的生物,因此對宇宙充滿了無限遐想,古代就有「不知天上宮闕,今夕是何年」的疑惑,也有「我欲乘風歸去,又恐瓊樓玉宇,高處不勝寒」的嚮往,只可惜在以前人類的科技實在太落後,人類對宇宙的嚮往只停留在腦海中而無法付諸行動,直到上世紀50年代人類在飛彈的基礎上研究出火箭,人類的航天飛行之夢才開始慢慢實現,也就是從50年代開始,人類的航天事業發展得越來越快,在短短的70年時間裡面,人類相繼實現了衛星發射、載人航天、阿波羅登月工程、國際空間站建設、哈勃太空望遠鏡建設、天眼射電望遠鏡建設等,人類不僅真正的飛上天宮,而且還登上了傳說中的「月宮」,甚至飛出了太陽系,人類利用短短的幾十年時間取得如此輝煌的航天成就,離不開火箭技術的發展。

火箭從地面升空是緩慢加速的,與大氣層摩擦不劇烈

就目前來看,人類的一切航天活動都需要火箭的參與,從地球飛入太空更是需要火箭擺脫地球引力,因此火箭成為人類航天事業發展的基石,如果沒有火箭就沒有現在發達的航天科技,人類利用火箭把宇宙飛船、太空梭、補給物資、太空人等運送到太空,航天活動才能順利地開展,所以火箭是人類航天事業的中流砥柱。在人類眾多的航天活動中,如果你仔細觀察,你會發現一個讓你費解的現象,那就是都是高速穿越地球大氣層,火箭升空穿越大氣層時不會燃燒,可是當火箭或宇宙飛船返回地面穿越大氣層的時候卻會劇烈的燃燒,是什麼原因造成這樣的差異呢?

當火箭加速到最高速度的時候,已經差不多飛出大氣層了,所以不會燃燒

其實呢,火箭升空的時候也處於高速飛行狀態,而且也會與空氣摩擦,這是無法避免的,之所以火箭在升空的時候不會產生高溫燃燒,是因為火箭速度是從地面往上加速的,我們都知道地球的大氣層濃度從地面往上是越來越稀薄的,當大氣層濃度很高的時候,火箭正處於加速階段,速度比戰鬥機快不了多少,火箭與大氣層的摩擦並不是很劇烈,所以不會產生高溫乃至燃燒,而當火箭速度接近或者達到第一宇宙速度的時候,大氣層的濃度已經很稀薄,雖然此時的火箭速度非常快,但是沒有了大氣阻力,自然同樣也不會燃燒,所以火箭在升空的時候不會產生高溫燃燒,當然為了以防萬一,科學家還是在火箭外殼塗有一層耐高溫的材料「鈦」,避免高溫對火箭產生破壞作用。

宇宙飛船返回地面的時候,速度越來越快,阻力越來越大,因此劇烈燃燒

而宇宙飛船從太空中返回地面就不一樣,首先它的速度是逐漸加快的,越靠近地面速度越快,因為它是做自由落體運動的,而大氣濃度從高到低是增加的,宇宙飛船從太空中返回的時候,不斷地加速碰到越來越濃厚的大氣層,產生的阻力就越來越大,自然會發生劇烈的摩擦,因此會產生高溫燃燒,還有宇宙飛船由於沒有發動機,只能採用彈道式、跳躍式或者滑翔式等方式進行減速,但是不管是哪種減速都需要用到地球大氣層這層自然「減速帶」,因此宇宙飛船在做這些減速動作的時候與大氣層阻力會持續增強,從而在宇宙飛船外層產生高達1000℃的高溫,如此的高的溫度可以把鐵、鋼、銅、金、鋁都融化掉。

返回地球的宇宙飛船,表面被燒得漆黑

為了保護宇宙飛船和裡面太空人的安全,科學家會在宇宙飛船外部塗上一層耐高溫性更好的材料,比如燒蝕材料,這些材料遇到高溫燃燒的時候發生分解、融化,蒸發和升華等物理和化學反應,這些反應會吸收和消耗大量熱量,從而保護宇宙飛船,其實隕石撞地球同宇宙飛船返回地球是一樣的原理,只不過隕石沒有隔熱材料,因此它沒有落到地面就被燃燒殆盡了。

1986年的挑戰者號太空梭爆炸事故現場

航天事業是一項高風險的職業,雖然科學家在發射前都準備的滴水不漏,但是難免會產生判斷失誤和疏忽,從而造成難以挽回的損失,至今已經有多達22位太空人為人類航天事業獻出寶貴的生命,最慘重的兩次航天事故是1986年的挑戰者號太空梭爆炸事故和2003年的哥倫比亞號太空梭爆炸事故,單單這兩次事故就造成總共14名太空人喪生。儘管如此,人類太空人依然視死如歸為人類航天事業前僕後繼,正是由於這些航天人的不怕犧牲的精神,人類才取得如此巨大的航天成就。

相關焦點

  • 火箭返回地球時會燃燒,發射時穿過大氣卻不會燃燒,這是為什麼?
    為什麼當我們發射火箭的時候,我們很少看到大氣層燃燒,但是當它返回的時候卻會因為摩擦力而燃燒起來呢?同樣是穿過地球的大氣層為什麼會有這樣巨大的區別呢?當宇宙中的天體高速進入到地球大氣層中的時候產生了非常強大的衝擊波,也可以叫「激波」,壓縮了空氣,從而產生了巨大的熱量,比較小的隕石可能在大氣層中就被燃燒殆盡了,有的個頭更大,速度更快的隕石很有可能砸到地面。小的隕石在高溫的條件下,會被直接融化成液態。
  • 飛船同樣穿過大氣層,為何返回時會有高溫,而升空時沒有?
    飛船在穿過稠密的地球大氣層時,將會產生上千度的高溫,威脅飛船的安全。那麼,為什麼宇宙飛船要冒著燒毀的風險加速穿過地球大氣層?為什麼宇宙飛船不在太空中直接打開降落傘,然後慢慢降落回地球呢?速度過快,氣動熱效應過強,巨大的熱量會燒毀飛船。另一方面,飛船進入地球的角度也不能太小。否則飛船在飛向濃密的地球大氣層時,會被反彈回太空中,無法正常受控返回地球。
  • 當宇宙飛船返回地球時,為何要不惜燃燒的代價來高速穿過大氣層?
    當宇宙飛船返回地球時,總是以極高的速度穿過大氣層,像流星一樣划過天際,直到快要接近地面的時候,才打開減速傘慢慢地降落。不得不說,雖然這種返回地球的方式很帥,但是卻存在著很大的風險,事實上也是如此,例如在2003年2月1日,「哥倫比亞」號太空梭就在以這種方式返回地球時因為高溫而解體。
  • 都是穿過大氣層,為什麼飛船返回時會有高溫,而升空時卻沒有呢?
    調查結果顯示,在「哥倫比亞」號升空82秒時,有三塊外部隔熱泡沫從太空梭上脫落,其中的一塊造成了此處破損。也就是說,「哥倫比亞」號是帶著一個「破洞」升空的,期間並沒有經歷過高溫,直到其返回時才發生事故。那麼問題就來了,都是穿過大氣層,為什麼飛船返回時會有高溫,而升空時卻沒有呢?下面我們就來講一講。
  • 同樣都是穿過大氣層,為什麼火箭返程會出現高溫,而升空卻不會?
    隨著科學技術的不斷發展,人類創造出了非常多的高科技,不僅便利了人類的生活,而且人類可以藉助這些高科技登上宇宙,從第一個太空人登上月球,到越來越多的探測器進入宇宙,屹立不倒,昨天我國的北鬥三號發射成功,這些成就無一不在證明人類文明的高速發展。
  • 為何嫦娥五號返回時會燃燒?
    並沒有遭遇高溫的情況,外表也並沒有燃燒起來。那麼,同樣是穿越地球大氣層,為什麼嫦娥五號返回時會遭遇溫度升高,表面劇烈燃燒的情況,而升空時卻沒有呢?相比之前的嫦娥系列探測器,嫦娥五號的結構更加複雜,重量也要大得多,嫦娥五號總質量高達8.2噸。
  • 飛船返回地球時不能火箭減速嗎?為何要頂著燒毀風險穿過大氣層?
    從太空受控返回地球,這是一個非常有意思的話題,對於大部分衛星來說並不會經歷這個過程,因為是單向的任務,只要將它送上天,壽命結束後就任其自生自滅了。但返回式衛星和載人宇宙飛船卻不行,要能上得去,也能下得來,因此在厚厚大氣層包裹的地球上,穿過危險的大氣層到達地面,就成了太空飛行器完成任務最後一道難關了,俗話說,上山容易下山難,我們今天來說說這難在哪裡。
  • 同是穿梭地球大氣層!返回飛船為何存在高溫,飛離地球不存在呢?
    返回飛船為何存在高溫,飛離地球沒有呢?如今隨著科技不斷發展,我們對於地球之外的世界越來越嚮往,而現階段想要脫離地球,全部都是依靠航天火箭之力向太空傳輸,然而不管是載人航天或者是貨運飛船,它們不同於衛星,是一次性用品,一旦進入太空之後,只能永遠的停留,為此向載人航天它們在完成任務之後,究竟是怎麼能從新返回地球?
  • 航天飛船的返回艙落地時會不會砸到人,威力有多大?
    自1957年10月4日世界上第一顆人造地球衛星成功升空以來,每年都會有大量的衛星以及宇宙探測器發射。運載火箭承載著飛船和衛星,高速(超7.9千米每秒)衝出大氣層,來到外太空。而隨著火箭的升空,燃料的減少,就必須要讓燃料耗盡的助推器脫離,以減輕負載。而這些火箭殘體會不會砸到人?
  • 飛船返回艙返回地球會燃燒,為什麼從太空跳回地球沒燃燒?
    當飛船返回艙在返回地球時,進入大氣層,在濃厚的大氣層中高速下降時,會與大氣層產生摩擦,導致返回艙外表溫度大幅升高,溫度至少可達1000度。這麼高的溫度是會產生燃燒的,這麼高的溫度,就算是鐵、銅、甚至是金,都有可能被融化
  • 為什麼太空飛行器返回地球時才需要隔熱層,而升空時不需要
    結合上述因素我們不難發現,在大氣中一個定點上,太空飛行器受到的阻力只會因其速度變化或橫截面面積形狀變化而變化。原來,這兩個因素在(太空飛行器)離開和返回地球時是不一樣的。當你越飛越高,大氣的密度會急劇(實際上是指數級)下降,所以一旦所在位置足夠高,你大幅度地加速也不會製造出太大阻力了。
  • 大氣層中出現上千度高溫的熱層,為何太空飛行器穿過時不被燒毀?
    在地球的大氣層中,存在著一種距離地面800千米,溫度達到1000攝氏度高溫的氣層,被稱之為熱層,它位於中間層之上散逸層之下,大氣層的電離層這存在於熱層之中,而且極光現象也是在熱層的頂部發生的,因為電離層可以反射無線電波,所以近現代以來,熱層中的電離層,有被人類利用,幫助人類進行無線電通信
  • 長徵5B火箭發射升空,載貨艙返回雖然失敗,美國人為何卻十分擔心
    圖為載貨艙再入大氣層模擬圖 近日,中國航天可謂捷報連連,不僅長徵5B火箭成功發射升空,而且載人飛船也很完美地完成了任務,但美中不足的是,在新型柔性充氣式返回載貨艙的試驗中出現了一點小的問題,不過載貨艙返回雖然失敗了,但卻是在該技術上首次趕超美俄的例子,也正是中國載貨艙即使返回失敗後,美國人為何卻十分擔心的主要原因,可以說,對於這次不算完美的技術驗證及其意義,全球僅美國一家看懂了。
  • 一文讀懂:天宮一號無控返回大氣層 以最絢爛的方式回家
    據中國載人航天工程辦公室發布,經北京航天飛行控制中心和有關機構監測分析,4月2日8時15分左右,天宮一號目標飛行器已再入大氣層,再入落區位於南太平洋中部區域,絕大部分器件在再入大氣層過程中燒蝕銷毀。天宮一號是中國研發的一個目標飛行器,目的是作為其他飛行器的接合點,為中國太空實驗室計劃的實驗性軌道飛行器,於2011年9月29日21時16分3.507秒發射升空。
  • 火箭升空的工作原理,漲姿勢!
    點擊上面藍色字體直觀學機械關注我們法律顧問:趙建英律師LearnEngineering製作的動畫,視頻中我們可以很直觀的學習火箭升空的工作原理其他噴氣發動機,如飛機上使用的空氣噴氣發動機,只攜帶燃料,燃料燃燒所需的氧要從大氣中獲取,因而只能在大氣層中工作。由於火箭既攜帶了燃料,又攜帶了氧化劑,所以火箭發動機在真空的太空中也能工作,並成為使火箭能夠航天飛行的動力。友情提示,建議在wifi下欣賞,留著流量學知識!可是火箭飛行如何能產生戰勝地球引力的宇宙速度呢?
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