【科學科普】為何飛船穿越大氣層,只有返回時才發生燃燒?這是啥原理?

薛定諤的貓 2021/08/26 檢舉 我要評論
 

哇!真的第一次見哎,知識不會,衹是姿勢不對;科學凡此種種,用人話講才能聽懂

文/天空之城團隊

 

飛船,是人類智慧的結晶,是探索宇宙的工具,是承載夢想的橋樑。自二十世紀70年代,我們成功實現登月載人飛行之後,飛船就成為人類觸摸宇宙的「第一手資料」,50年間僅中國就發射了12艘載人飛船,並在飛行過程中將宇航員們完好無損的帶回家。

但是在探索宇宙的過程中,飛行意外時有發生,其中較常見的是返回時的墜毀。2003年美國「哥倫比亞」號太空梭,就在返回地球時,在空中爆炸解體了。 此外還有許多的衛星和火箭的殘骸在返回大氣層時,也發生了燃燒解體事件。為什麼這些飛船、火箭在發射穿越大氣層時沒有燃燒,卻在返回時燃燒爆炸了呢?二者都有摩擦力,為什麼獨獨在返程時燃燒,這是什麼原理呢?

飛船出發時為何沒有燃燒目前世界各國的載人飛船都是有火箭運載發射,比如我們的神舟12號載人飛船就是通過長征2號F遙十二運載火箭。因此我們講飛船出發就是講的火箭出發。那麼要搞懂這個問題,就要知道火箭發射的原理。

火箭起源于中國宋代,早期是放煙花的娛樂工具,到明代成為武器,到清朝被摒棄。現代火箭來源於, 蘇聯數學老師康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基,他在著作中詳細描述了用火箭探索宇宙的可能性,並提出可以 用液氧和液氫作為火箭的推進劑,還研究出了齊奧爾科夫斯基火箭推進公式,是火箭研究事業的領航人。

二戰時期是火箭事業的野蠻生長期,這一階段火箭的設計得到了完善,並為宇宙探索打下基礎。冷戰時期的太空競賽,是火箭的大發展階段,這一時期火箭開始承擔航太運輸任務。

火箭,簡單說就是一種推進器,利用燃燒推進劑產生的巨大推力升空。因為地球上存在萬有引力,不論扔什麼東西上去,都會在引力的作用下垂直下落。而要擺脫引力飛出地球,就需要足夠大的速度。火箭想要擺脫引力升空,它的速度必須要超過第一宇宙速度(7.9km/s),因此就要求火箭的燃料能產生足夠強大的推動力。

當火箭點燃發射升空之後,因為有引力的束縛因此速度較慢,因此即使與空氣發生摩擦也不會發生燃燒。之後速度慢慢加快,但是因為火箭是垂直發射,穿過大氣層的時間較快並且大氣的溫度較低,所以即使速度快,也能在燃燒之前就沖出大氣層進入宇宙,而 宇宙是真空環境,故而不存在摩擦反應,就不會燃燒。同時,火箭還有整流罩的保護,整流罩就是火箭頭部的鋼鐵外衣,耐高溫性極強。因此火箭在起飛穿越大氣層時,才沒有發生燃燒爆炸事件。那麼為什麼返回時火箭又發生了燃燒呢?

返回時燃燒的原因與出發時相比,回來的飛船是「輕裝上陣」,雖然沒有那麼重了,但是「上山容易,下山難」,飛船的返回過程可比發射複雜得多。 首先它們要以宇宙第一速度的速度進入大氣層,之後利用緩衝火箭和面積大約在一千多的巨大降落傘減速,最後飛船的返回艙以大約3.5米/秒的速度著陸。

但是在剛剛進入大氣層的時候,返回艙的速度非常快大約能達到11公里/秒, 因此其外殼會與大氣層發生激烈的摩擦,產生大量的熱量,這個過程叫做「氣動加熱」。在離地面80到40公里的稠密大氣層時,氣動加熱過程達到最高點,返回倉表面溫度達到1000到3000度,整個返回艙看起來就像一顆著火的流星。因此超高的速度是燃燒的原因之一。

沒有整流罩的保護。在飛船隨火箭飛出大氣層時,即使最後的速度比較快也因為有整流罩的保護而順利通過。但是當火箭飛出大氣層後,這件鋼鐵保護服就完成使命,分成兩半脫離飛船了。因此在回城時,失去整流罩的返回艙只能依靠自身外層的防火塗層來防火,而衛星之類的天體返回時卻什麼保護都沒有,因此在進入大氣層後,發生劇烈的摩擦,導致變成「火流星」。

飛行路徑。因為返回艙進入大氣層的速度在引力的作用下一直在增加,如果不減速的話返回艙就會像一顆隕石一樣撞向地球。因此為了減速返回艙的路徑就要發生變化,以一個弧形或者階梯型的路徑飛行,這樣在大氣層中逗留的時間更長,可以利用大氣層的摩擦力減緩飛船的速度。 但是在大氣層中逗留的時間更長摩擦更強烈,就更容易發生燃燒事件。反之,火箭發射時,為了快速飛出大氣層,使用的是垂直發射,速度即低又與大氣接觸時間短,因此沒有燃燒的隱患。

環境不同。 發射時因為地球的引力束縛,飛船的速度只能一點點地加快,因為穿過大氣層的速度差不多在第一宇宙速度附近。而返回時初始速度較好,然後在宇宙中真空環境下速度一直增加,進入大氣層後壓縮空氣並與之發生劇烈摩擦。因此出現燃燒。

以上就是, 飛船為什麼會在返回時發生燃燒墜毀事件的原因。但是現實中這樣的意外事故是極為罕見的,因為我們的返回艙都是利用隔熱材料製作。因此,返回艙足夠安全,不必擔憂宇航員的安危。那麼這些「避火衣」是如何防火的呢?

飛船的「避火衣」

由於返回艙裡搭乘著宇航員,為了保證他們的生命安全, 所以航太設計師們為它精心設計了一件「避火衣」,由暫態高分子耐高溫材料製成的低導熱複合材料。當飛船經過大氣層時,這件神奇的避火衣遇見高溫就會主動燃燒,利用有機物的燃燒帶走大量熱量,同時還形成一層碳化薄膜緊緊粘在返回艙表面,具有良好的隔熱性能,防止高溫侵入艙內。

此外, 還可以利用導熱性能好、熔點高、熱容量大的鈦合金等複合金屬材料製作「避火衣」。這些材料吸熱性好,能夠在大氣層的氣動加熱過程中吸收大量的熱量,將其儲存在外層中,保護艙體不受高溫腐蝕。另外,還可以給艙體塗抹隔熱塗料防止燃燒。

不過因為這些「避火服」的製造,需要強大的材料科學應用能力,因此許多國家即使有財力發射飛船也沒有實力成功返回,這也是為什麼如今的世界上只要中國、美國、俄羅斯三國有發射航太載人飛船的原因。

強大的科研能力是中國在星際科考中占上風的堅實後盾,而支撐科研實力的是強大的國力,國家的富強,才有我們在航太領域的輝煌。

 

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