同樣穿過大氣層,嫦娥五號返回會摩擦燃燒,發射時卻啥事也沒有?

2020-12-19 星辰大海路上的種花家

一個令人撓頭的問題，同樣穿過大氣層，發射和返回都是同樣的速度，為什麼返回時會有摩擦燃燒問題，而發射時候卻不會呢？

衛星穿過大氣層，真的是因為摩擦燃燒嗎？

中學老師一般就會告訴你，衛星或者飛船和流星穿過大氣層時高溫燃燒是摩擦引起的！所以很多科普文中都會這樣描寫：「飛船重返大氣層，由於空氣摩擦產生的高溫」，但其實這個答案幾乎就是全錯的！

因為穿過大氣層的高溫燃燒絕大部分都不是摩擦引起，而是激波加熱所致！一般步行時我們感覺不到風，但開車迎風就呼呼作響了，這是因為我們前進，空氣向兩邊避讓，再從側面經過就形成了風！

低速運動時，空氣會「提前通知」前方的空氣讓開，但當物體運動速度超過音速時，這些前方空氣再也無法及時避讓，就會在運動物體的前方形成一個壓縮面，在這個壓縮面上的密度和溫度在波陣面上發生突躍變化形成壓縮波，這就是所謂的激波！

速度越高，那麼激波面上空氣壓縮就會越厲害，壓縮空氣能產生熱量大家都明白，要不然打氣筒打幾下就發燙了，但激波面上可比打氣筒厲害多了，激波加熱能讓空氣上升到上千度甚至更高！

所以在和激波面接觸的飛船前部，必須敷設抗燒蝕大底，說是抗燒蝕，其實就是耐燒蝕材料，因為材料燒蝕時會帶走大量的熱，避免熱量累積，我們唯一的要求就是這種材料燒的慢一點！

當然摩擦也能提供部分熱量，據說SR-71偵察機以3倍音速巡航時，機體表面溫度能超過300攝氏度，相信這些就有部分是摩擦引起，但高超音速的飛船返回地球時得回答是激波加熱。

為什麼返回時候會燃燒，發射時不會燃燒呢？

流星體穿過大氣層時開始發光同樣也是激波加熱，它大約會在120千米左右高度即被稀薄大氣的激波加熱到開始發光的程度，最低高度大約在35千米高度左右消失，因為到此處大氣密度增加，速度減弱或者解體等，大部分鬆散材質流星會在這個高度解體爆炸，比如車里雅賓斯克的小行星就在這個高度爆炸了！

飛船由於返回速度比較小，它的被加熱到發光高度會比較低一些，不過比較大型的結構比如空間站等有太陽能電池的飛船，大部分會在100千米高度被撕裂，同時燒蝕的發光也大致從這個高度開始！高溫產生的等離子體會包裹飛船，電磁波會被它吸收，所以這就是所謂的黑障段。

大部分沒有抗燒蝕結構的太空飛行器大約會在80千米左右高度解體，碎片也將在散落過程中被燒蝕，到達40-30千米高度時，由於大氣強大的阻力，速度降低已經無法支撐激波加熱的高溫，發光也會消失！

因此如果流星體或者解體的碎片還沒有燒完的話，那麼它會到達地表，形成隕石或者墜回地球的衛星碎片！

為什麼發射時不會被燒蝕？

其實道理很簡單，速度差！當衛星返回地球時它的初始速度是第一宇宙速度，由於角動量守恆與重力勢能效應，它的存速能力是很強的，也就是說即使到100千米高度，它速度仍然比第一宇宙速度小不了多少！

但當火箭將衛星送入太空時，到100千米高度時，大約也就十倍音速而已，我們可以參考土星五號送阿波羅11號到近地軌道的過程：

土星五號一級火箭的總共有5臺F1發動機，每臺發動機的海平面推力為6770千牛，比衝為263秒，第一級火箭只工作150秒，能將火箭送至68千米的高空，達到2.76千米/秒！

二級火箭由5臺J2火箭發動機接力送往近地軌道，它工作300秒，將飛船送至170千米的高度，達到7千米/秒，最後三級火箭啟動工作大約150秒，火箭進入距離地面191.2千米高度的待機軌道，速度達到7.75千米/秒！

儘管沒有100千米時的速度數據，但我們可以確信在100千米的高度它速度很可能不超過4千米/秒，而返回時候在這個高度時候接近此處高度的第一宇宙速度（約7.8千米），所以兩者速度差得可不是一星半點，但可以肯定的是，此時火箭外殼也會受到激波氣動加熱，但越來越稀薄，這個效應在更高的高度將可以忽略。

所以衛星返回時會被燒毀，但發射時卻安然無恙！

流星體撞入大氣層的速度為什麼會有那麼高？

人造衛星返回地球時速度也就第一宇宙速度，但小行星（流星）撞擊地球時動輒每秒超過十幾千米，而最高速度甚至接近70千米，為什麼會如此之高？

第一個關鍵是：無限遠處返回地球，這天生的就是第二宇宙速度，因為人類將物體送入距離地球無限遠必須要第二宇宙速度（11.2千米/秒）。

然後第二個關鍵，地球圍繞太陽公轉速度大約為30千米/秒！

再是第三個關鍵，小行星圍繞太陽公轉，軌道不同速度不同，近日點軌道速度可能遠超30千米/秒

第四個關鍵，地球自轉速度465米/秒

如果最極端，比如在地球軌道上逆向和地球相撞，那麼可以將這些速度全部加起來，因此最快速度的小行星速度將超過70千米/秒，如果最慢，那麼也有接近第二宇宙速度的11.2千米/秒的速度！

而人造衛星（環繞地球）速度不會超過7.75千米/秒，因為在200千米的高度環繞速度比地表要低一點！

嫦娥五號返回艙在返回時，因為是從月球軌道返回，那麼它的速度大約在10.8千米/秒左右，所以它也將和流星一樣經歷一個地獄般的時刻，但我們科學家給它準備了一個水漂彈道返回的模式：

第一次再入大氣層時，會在氣動效應下燒蝕一段時間後彈回大氣層外，然後再一個拋物線返回大氣層，此時速度降到第一宇宙速度下，所以過載和燒蝕情況都可控，最後將平安落地！

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