航天 为何飞船穿越大气层,只有返回时才发生燃烧?这是啥原理?


航天 为何飞船穿越大气层,只有返回时才发生燃烧?这是啥原理?
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航天 为何飞船穿越大气层,只有返回时才发生燃烧?这是啥原理?

飞船 , 是人类智慧的结晶 , 是探索宇宙的工具 , 是承载梦想的桥梁 。 自二十世纪70年代 , 我们成功实现登月载人飞行之后 , 飞船就成为人类触摸宇宙的“第一手资料” , 50年间仅我国就发射了12艘载人飞船 , 并在飞行过程中将宇航员们完好无损的带回家 。
Tips:宇宙Universe , 在物理意义上被定义为所有的空间和时间(统称为时空)及其内涵 , 包括各种形式的所有能量 。
但是在探索宇宙的过程中 , 飞行意外时有发生 , 其中较常见的是返回时的坠毁 。 2003年美国“哥伦比亚”号航天飞机 , 就在返回地球时 , 在空中爆炸解体了 。 此外还有许多的卫星和火箭的残骸在返回大气层时 , 也发生了燃烧解体事件 。 为什么这些飞船、火箭在发射穿越大气层时没有燃烧 , 却在返回时燃烧爆炸了呢?二者都有摩擦力 , 为什么独独在返程时燃烧 , 这是什么原理呢?
飞船出发时为何没有燃烧
目前世界各国的载人飞船都是有火箭运载发射 , 比如我们的神舟12号载人飞船就是通过长征2号F遥十二运载火箭 。 因此我们讲飞船出发就是讲的火箭出发 。 那么要搞懂这个问题 , 就要知道火箭发射的原理 。
Tips:火箭自身携带全部推进剂 , 不依赖外界工质产生推力 , 可以在稠密大气层内 , 也可以在稠密大气层外飞行 , 是实现航天飞行的运载工具 。
火箭起源于我国宋代 , 早期是放烟花的娱乐工具 , 到明代成为武器 , 到清朝被摒弃 。 现代火箭来源于 , 苏联数学老师康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基 , 他在著作中详细描述了用火箭探索宇宙的可能性 , 并提出可以用液氧和液氢作为火箭的推进剂 , 还研究出了齐奥尔科夫斯基火箭推进公式 , 是火箭研究事业的领航人 。 二战时期是火箭事业的野蛮生长期 , 这一阶段火箭的设计得到了完善 , 并为宇宙探索打下基础 。 冷战时期的太空竞赛 , 是火箭的大发展阶段 , 这一时期火箭开始承担航天运输任务 。
Tips:康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基 , 1857年9月17日—1935年9月19日 , 现代宇宙航行学的奠基人 , 被称为航天之父 。
火箭 , 简单说就是一种推进器 , 利用燃烧推进剂产生的巨大推力升空 。 因为地球上存在万有引力 , 不论扔什么东西上去 , 都会在引力的作用下垂直下落 。 而要摆脱引力飞出地球 , 就需要足够大的速度 。 火箭想要摆脱引力升空 , 它的速度必须要超过第一宇宙速度(7.9km/s) , 因此就要求火箭的燃料能产生足够强大的推动力 。
Tips:引力Gravitation , 即任意两个物体或两个粒子间的与其质量乘积相关的吸引力 , 自然界中最普遍的力 , 简称引力 。
当火箭点燃发射升空之后 , 因为有引力的束缚因此速度较慢 , 因此即使与空气发生摩擦也不会发生燃烧 。 之后速度慢慢加快 , 但是因为火箭是垂直发射 , 穿过大气层的时间较快并且大气的温度较低 , 所以即使速度快 , 也能在燃烧之前就冲出大气层进入宇宙 , 而宇宙是真空环境 , 故而不存在摩擦反应 , 就不会燃烧 。 同时 , 火箭还有整流罩的保护 , 整流罩就是火箭头部的钢铁外衣 , 耐高温性极强 。 因此火箭在起飞穿越大气层时 , 才没有发生燃烧爆炸事件 。 那么为什么返回时火箭又发生了燃烧呢?
返回时燃烧的原因
与出发时相比 , 回来的飞船是“轻装上阵” , 虽然没有那么重了 , 但是“上山容易 , 下山难” , 飞船的返回过程可比发射复杂得多 。 首先它们要以宇宙第一速度的速度进入大气层 , 之后利用缓冲火箭和面积大约在一千多的巨大降落伞减速 , 最后飞船的返回舱以大约3.5米/秒的速度着陆 。
Tips:降落伞是利用空气阻力原理 , 依靠相对于空气运动充气展开的可展式气动力减速器 。 现代的降落伞是人或物从空中安全降落到地面的一种航空工具 。
但是在刚刚进入大气层的时候 , 返回舱的速度非常快大约能达到11公里/秒 , 因此其外壳会与大气层发生激烈的摩擦 , 产生大量的热量 , 这个过程叫做“气动加热” 。 在离地面80到40公里的稠密大气层时 , 气动加热过程达到最高点 , 返回仓表面温度达到1000到3000度 , 整个返回舱看起来就像一颗着火的流星 。 因此超高的速度是燃烧的原因之一 。

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