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當宇宙飛船返回地球時,為什麼要不惜燃燒代價,高速穿過大氣層?
2022/11/02

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宇航員返回地球最危險的時候就是穿越 黑障區,又稱 黑色障礙區

當返回艙進入黑障區后,艙內的宇航員會 與指揮室失去聯系,沒人知道這段時間發生了什麼。

與此同時,返回艙外表 在高速摩擦中被燒得通紅

宇航員需要在這樣的危險中堅持 4分鐘。

也許我們在地面不會覺得4分鐘漫長,但是對于宇航員來說,這4分鐘是無比漫長的。

飛船返回著陸

既然穿越黑障區如此危險,為什麼 返回艙不做出調整?這樣就不用承受這麼多痛苦。為什麼不反向加速?為什麼不提前打開降落傘?黑障區還有哪些危險?未來能否有更好的返回方法?

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?

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為什麼不反向加速?

黑障區指的是距離地面 35到80千米的大氣層,這里的氣體因為 高溫摩擦、太陽輻射發生了 電離

所以在降落穿越的時候,這些離子會 包裹住整個返回艙,影響返回艙與指揮室的通訊,讓雙方都失去信號。

返回艙進入大氣層的速度有多快?

差不多是 每秒7.9千米,因為在返回之前,需要 圍繞地球運動

等行駛到返回位置后,開啟發動機, 調整返回艙的飛行軌跡,當返回艙與地球表面的夾角為 3度時,返回地球。

由于降落的速度過大,返回艙與氣體離子產生 劇烈的摩擦,從而讓返回艙表面溫度達到驚人的 2000度

當年哥倫比亞號航天飛機就是因為表面有一條不起眼的裂縫,結果在返回的過程中穿越黑障區,導致裂縫被撕裂,最后整個航天飛機都解體了。

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不少人有疑惑,為什麼不能 提前減速,讓返回艙不要以這麼大的速度進入大氣?

比如,是否可以 反方向加速,這樣就可以 緩慢穿越黑障區,返回艙也不會被燒得黢黑。

理論上是可以的,然而實際執行起來,難度太大!

返回 初速度實在是太大了,如果要削弱速度,必須 反向點火

可是,地球大氣最外層 非常稀薄,差不多屬于 真空狀態,如果反向點火,會讓返回艙突然又 返回到太空中,回了個寂寞。

再說了,這種消耗自身能量的減速方式,得 燃燒大量的燃料,返回艙本身的承載量就不大,無法攜帶大量的燃料。

如果真要采取這種模式回來,那麼 花費也將變得巨大,起碼飛船就必須攜帶更多的燃料。

既然反向加速不行,那 提起打開降落傘呢?

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為什麼不能提前打開降落傘?

返回艙的降落傘可不是說打開就打開的,而且它不止一個降落傘。

一般來說,飛船返回地面的時候,需要三個降落傘,按照打開順序為 引導傘、減速傘和主傘

在距離地面大約 10公里的時候,就可以打開傘了。

引導傘出場的時間很短,也就1秒鐘,它的本質像一根 引線,起到 拉開整個傘包的作用

引導傘非常小,幾乎起不到減速的作用,真正減速的是后兩個傘。

引導傘正常工作后,第二個 減速傘也迅速打開,它的作用就是進行 減速擺正返回艙的位置

越靠近地面,大氣密度就越大,由于摩擦等原因,返回艙不一定是正著落下來的。

減速傘讓返回艙來個突然「 剎車」, 減速的同時擺正姿勢

最后打開的傘是 主傘,也就是我們看見神州飛船回來打開的上面有圓環的

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大降落傘

它有多大,傘的總面積足足有 1200平方公尺,和它比起來,返回艙都顯得袖珍。

當返回艙接觸到地面的一瞬間,降落傘與返回艙的連接處 自動切斷,兩者再也沒有連接,就算風將降落傘卷走,也不會影響到返回艙。

這麼做的原因,是為了 減少后續的傷害

因為大傘的面積非常大,如果它還和返回艙相連,一旦遇上強風,吹動大傘后,它會 拉著返回艙到處跑,導致返回艙 在地面上滾動,里面的宇航員很有可能受傷。

至于為什麼不提前打開降落傘,那當然是 降落傘需要空氣

大氣層上表面 空氣稀薄,打開了降落傘也 沒辦法撐開

而且當進入大氣時的速度太快,如果打開降落傘,它也去參與摩擦,直接就被燒沒了。

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為什麼不惜一切代價穿越大氣層?

返回艙以飛蛾撲火的態度穿越大氣層的黑障區,不惜一切代價,哪怕外殼都已經燃燒起來。

因為這是可以想到的, 最便宜的返回方式

前面提到的 反向加速需要 額外燃燒能量,提前打開降落傘則需要 提高降落傘的質量,制作出耐高溫的降落傘材料。

這樣算下來,價格會是 自由落體返回的數倍。

這種利用地球自身的引力返回的方式,整個過程中基本不用額外的能量,利用 引力和空氣阻力完成。

通過黑障區的主要危險就是 高溫和失去聯系,失去聯系這件事目前還無法克服,但是高溫可以通過 提高返回艙的材料質量來完成,這比研制高溫降落傘更容易。

既然都是穿越大氣層,為什麼飛船 上天的時候不會燃燒,但是 回來的時候被燒得發紅髮燙呢?

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飛船如果想要離開地球進入太空的軌道,就必須以 不小于7.9千米/秒的速度進入太空。

對于地球上發射的火箭來說,它需要加速升空。關于太空與大氣的分界線,被稱為 馮·卡門線,距離地面 100千米

而黑障區的范圍是距離地面 35到80千米,火箭在這個區域的速度只有 每秒4到5千米,這個速度的摩擦,還不足以將外表材料燃燒起來。

并且飛船升空,越往上走 大氣密度越小,那麼摩擦也就越小;而返回艙降落,越往下 空氣密度也在增大,摩擦會越來越大。

因此,飛船上升的時候,表面并不會被燒得通紅,但是在降落穿越大氣層的那時候,會被燒成「火球」。

其實從上個世紀60年代開始,人們就在尋找消除黑障區的方法,然而半個多世紀過去了,還是沒能解決,因為黑障區的氣體是人類無法控制的。

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