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?

2021-01-08 麥克斯韋妖妖靈

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?

地球的大氣層

我們知道大氣層對於地球來說有非常重要的保護作用,很多靠近地球的小天體在地球的大氣中就能被直接燃燒掉,不會直接對地面產生危害。當小天體撞擊地球的時候,它們的速度是非常之快的,速度一般是在11.2千米每秒到72千米每秒之間。很有意思的是這個天體撞擊的最小速度等於宇宙第二速度,也就是說一個物體能夠掙脫引力束縛的逃逸速度。

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。

所以當火箭從太空中返回的時候,會燃燒的原理其實和隕石是一樣的,火箭從宇宙中返回到地球的速度是非常之快的,當然沒有隕石的速度那麼快,速度應該是和第一宇宙速度差不多,所以對大氣中空氣的壓縮程度非常之高,溫度也非常之高,往往會產生燃燒的現象。

那麼為什麼地球的火箭上空卻不會摩擦燃燒呢?

其實我們上面有提到,無論要穿過大氣層的隕石還是火箭,其實它們高溫的動力都是由高速帶來的衝擊波的加熱所導致的,說是摩擦生熱並不正確。當然,火箭衝破大氣層的時候並不會燃燒的很重要的原因就是速度並沒有它返回的時候那麼快。

當火箭在上空的時候,它需要不斷地克服重力做功,動力不算特別強,即使在穿過大氣層的時候速度應該也就在2-3千米每秒的樣子,這可遠比它返回的速度慢多了。這個速度對空氣的壓縮能力有待提高,溫度不夠高,不足以燃燒。

整流罩

所有的火箭在上空的時候都會裝上整流罩,這是運載火箭的重要組成部分之一,能夠有效地防止衛星受氣動力、氣動加熱及聲振等有害環境的影響。當火箭已經飛出大氣層的時候,整流罩的任務就算已經完成了,所以火箭上的分離系統會向整流罩從運載火箭中分離出去,待和火箭保持了一段距離之後,將其引爆,完成拋罩任務。

也就是說,當火箭升空的時候是有受到整流罩的保護的,但是回來的時候是沒有的。

路線不同

細心的朋友可能會注意到,火箭上升的時候是垂直往上走的,但是火箭返回的時候路徑更像是弧形墜落的。這和工程師想達成的不同目的是相關的。當上升的時候,最大的目標就是儘快上天,減少燃料的使用,升溫其實很慢。但是當火箭返回的時候要充分利用大氣層來減速,確保太空飛行器能夠順利返航。不同目標導致路線不同,也導致溫度的變化不同。

此外,返回艙下面其實塗了一層易燃層,有意讓其燃燒,能夠發揮有效的隔熱作用。

小結:

大家都知道地球的大氣層對地球有著非常重要的保護作用,所以太空中的天體不會隨意落到我們的地球上。其實火箭返回時燃燒和隕石落向地球燃燒的基本原理都是一樣的,都是由衝擊波壓縮空氣導致空氣升溫,最後產生的燃燒現象。

但是為什麼上天的火箭並不會燃燒呢?首先就是因為速度不夠快,壓縮空氣的水平不夠高;其次就是上天的火箭受到了整流罩的保護,不會輕易燃燒;最後就是上天和返迴路徑和目標不同導致的。

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