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?

2020-12-23 六分鐘科普

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。

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