为何飞船返回时剧烈燃烧，升空时不会？

兰色火焰

很多人都有一个疑问，航天十三号升空的时候，上面的字儿都能看得清清楚楚，可是回来后，返回舱表面烧成了一个碳球。

        还好宇航员们都穿着宇航服，不用担心高温带来的影响。

        神舟十三返回舱颜色泾渭分明，一边黑黝黝一边金灿灿

        想要知道为何飞船在发射和返回过程中的天壤之别，我们就得明白火箭是怎么升空的？飞船又是怎么返回的？这个过程中有什么危险吗？以后的返回舱能够避免被烧成碳球吗？神舟十三号已经成功着陆，人们却在好奇：为什么飞船返回时剧烈燃烧，升空时却不会？

        细看神舟十三返回舱燃烧后的表面

        火箭是怎么升空的？

        许多人存在一个误区，就是认为想要飞出地球，必须在火箭发射速度上达到第一宇宙速度。

        其实不是，想要离开地球进入预定轨道围绕地球旋转，只需要在离开的那一瞬间达到第一宇宙速度就可以了，发射时候的速度没有硬性规定。

        第一宇宙速度为7.9km/s

        所以这就解开了第一个疑问，为什么飞船升空的时候外壳不会熊熊燃烧，因为速度根本就没有我们想象中的快！

        我们都知道，地球上存在空气摩擦，在大气层内，速度越快摩擦就越大，被消耗的能量也就更多，火箭携带的燃料都是经过精确计算的，每一克都必须用在刀刃上，所以在升空过程中需要尽可能地少被摩擦，所以火箭的升空速度一般只有每秒一公里多。

        球受到空气摩擦的示意图

        随着火箭越升越高，空气的密度也在下降，当达到80千米高度的时候，空气十分稀薄，此时的火箭在燃料的推动下，速度已经是接近每秒3公里。

        当达到100公里的高度时，这里就是太空与大气层的分界——冯·卡门线，飞过冯·卡门线，飞船就进入到了太空环境，此时的飞船速度依旧没有达到第一宇宙速度。

        大气的垂直分层结构

        真正达到第一宇宙速度，是在进入太空之后，这会儿没有了空气阻力，燃料燃烧产生的能量，能最大限度地用在飞船本身，让其瞬间从3公里/秒增加到7.9公里/秒，之后进入预定轨道围绕地球运转。

        而飞船回来则和它升空完全是两码事，真的是一个天上，一个地下。

        目前已发射的神舟系列载人飞船绕地球一圈约为90分钟

        飞船回来都要经历什么？

        飞船返航的时候，已经是任务执行完毕，这会儿飞船上剩余的燃料已经很少了，所以是依靠地球的引力回来的。

        用最后剩下的燃料改变运行轨迹，使返回舱与地球的夹角为大约1.6度，这样就可以关闭发动机，完全凭借地球引力被吸入大气层。

        而这个时候的起始速度就是第一宇宙速度：7.9公里/秒，是升空穿越大气层时候的3倍以上。

        忽略空气阻力，物件在地球表面自由下落的加速度为9.8m/s2

        以这样的速度坠入大气层，返回舱与气体粒子们来一次巨大的摩擦，这过程中产生的热量，足以将外壳的材料烧得发红、发烫。

        嫦娥五号返回舱燃烧概念图

        大气层中还存在各种电离子，这样的摩擦还会干扰电磁波，影响返回舱与指挥室的通讯，造成失联。

        从80公里到35公里的这片区域内，被称为黑色障碍区，宇航员处于一个无信息的状态，完全得凭借自己的经验处理。

        虽然进入大气层之后有空气阻力，但是这本质上仍然是落体运动，如果不人工减速，可能会直接把地面砸一个坑。

        返回舱的平稳着陆测试

        因此在距离地面差不多10公里的时候，返回舱需要打开降落伞，这里的降落伞有三个，开伞顺序分别是引导伞、减速伞和主伞。

        主伞就是我们常见的那个巨大无比的降落伞，与空气的接触面积足足有1000多平方米。

        但是它不能突然打开，不然速度减少得太厉害，会让舱内的宇航员出现身体不适的情况，对宇航员的心脏不好，并且以这个时候的下落速度，贸然打开会让伞面受到巨大的空气冲击，材料承受不起。

        环帆伞：“镂空”让气流通过维持稳定，阻力面兜住气流减速

        所以使用一个引导伞，一是为了调整好返回舱的姿势，尽量让底面着地，二是为了做一个准备。

        之后打开减速伞，它的作用就是减速，因为它和引导伞面积都不大，因此打开没多久就不用了，当速度降到一定程度时，才打开巨大的主伞，让返回舱缓慢降落。

        当返回舱落地后的一瞬间，连接的伞绳立马自主切断，这是为了防止风吹得降落伞拖动返回舱在地上滚动，给宇航员造成伤害。

        神舟十二号返回舱着陆时及时切断了降落伞

        至此，宇航员们才平安返回地球！

        在返回的过程中会遇到哪些危险？

        这样惊心动魄的返回之旅，也存在着很多危险因素。

        历史上的哥伦比亚航天飞机，在返回之前掉了一块零件，最后导致整个航天飞机解体，7名航天员在里面瞬间被高温蒸发了。

        哥伦比亚号不幸遇难的七名航天员

        前苏联的联盟11号，在返回过程中压力阀掉落，3名宇航员直接被暴露在了太空环境中，舱内气压瞬间变为0，宇航员直接窒息，体液沸腾，最终遇难。

        三名罹难宇航员

        由于进入大气层那一瞬间的速度实在是太快了，巨大的摩擦会让返回舱外表的温度上升到1000摄氏度以上，如果材料和制作工艺不过关，回来的过程中就会因为一点点小问题，酿成亿点点的错误。

        飞船毁了还可以再造，可是宇航员没有了，那是整个人类的损失，培养一名宇航员并不容易。

        嫦娥五号返回舱也是一个“碳球”

        此外，返回舱不一定降落在指定的位置，比如我国常用的降落点是内蒙古的四王子旗，但是也不能保证它每次都能准确降落。

        所以在宇航员平时还需要学习如何处理突发情况，比如降落在了海上，或者计划之外的地方。因此返回舱内配备有求救物品，如信号弹、救生衣等。

        就算已经平安落地，可是返回舱依旧在工作，它必须及时平衡舱内与舱外的气压，让宇航员快速适应地面的环境，同时也能为之后打开舱门做准备。

        如果这个时候返回舱罢工了，宇航员们穿着的宇航服就能起到继续保护的效果。这是当初那3位牺牲在太空的宇航员提供的教训。

        我国宇航服的气压为40千帕左右，相当于海拔7千米的气压

        所以说，即使落地，宇航员们依然还面临着挑战，既然这个返回方式这么危险，为什么不换一种方法呢？

        为什么不换一种方式？

        为什么不在进入大气层之后反向加速，让返回舱的速度降下来？这样的摩擦就不会太大，也就不会出现整个返回舱被火烧、火烤的事情。

        神舟十三号重量超过8吨，运载量都是经过精密计算的

        其实这样的方法的确有效，可是太费燃料，本来在返回的时候所剩的燃料就不多了，并且这样的成本还更高，需要额外提供能量，传统的返回方式只需要借助地球的引力即可。

        要知道飞船携带的物品必须严格计算，如果要用反向加速的方式降落，就必须额外携带燃料，增加了飞船的负担。

        因此想要立马放弃这种返回模式，现在来说还不太可能，它依然是航空航天的主流。

        不过这也不代表人类会安于现状，未来一定会出现更安全的降落，至少不会每次都经历黑色障碍区，返回舱也不用被烧成这样，说不定还能重复使用，节约每次的成本。

        向无数为航天事业默默奉献的工作者致敬！

        宇航员的每一次执行太空任务，都是将自己的生命置之度外，他们肩负的，不仅是国家、人民，还有全体人类的希望。

        每一位宇航员从被选上再到完成任务，会历经磨难，甚至付出生命的代价，可以说航天的进步，不仅建立在科技的进步上，还建立在前面宇航员带回来的宝贵数据，甚至是生命上。

bennycheng

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