宇宙飛船返回地球時,為何要冒著被燒毀的風險,高速穿過大氣層?

漫酱~ 2023/01/01 檢舉 我要評論

宇宙飛船返回地球的時候,總是會以極高的速度穿過大氣層,在此過程中,飛船會與空氣發生劇烈的相互作用,并因此而產生高溫,進而使飛船表面的溫度上升到上千攝氏度,如此高的溫度,對飛船形成了嚴峻的考驗,有可能只是隔熱系統稍微出了一點問題,飛船就會被高溫燒毀。

那麼問題就來了,宇宙飛船返回地球時,慢慢降落不行嗎?為何要冒著被燒毀的風險,高速穿過大氣層呢?下面我們就來聊一下這個話題。

想要宇宙飛船慢慢地降落,就需要將其自身的速度大幅降低,怎麼做呢?妳首先想到的可能就是利用降落傘來減速,但這種方法卻是不可行的,為什麼呢?因為當宇宙飛船返回地球時,其速度實在是太快了。

相信大家對「三大宇宙速度」都不陌生,簡單來講就是,在無需額外動力的情況下,第一宇宙速度能使宇宙飛船環繞地球運行,第二宇宙速度能使宇宙飛船擺脫地球的引力束縛,第三宇宙速度能使宇宙飛船擺脫太陽的引力束縛。

第一宇宙速度又稱「航天器最小發射速度」,顯而易見的是,宇宙飛船要執行任務,其速度至少也要達到第一宇宙速度,而在返回地球的時候,宇宙飛船也會具備同樣的速度,第一宇宙速度有多快呢?大約每秒鐘7.9公里,以這樣的速度,大概只需要1.4個小時,就可以圍繞著地球赤道跑一圈。

(注:第一宇宙速度并不是一個固定的值,7.9公里/秒是地球表面的第一宇宙速度,隨著高度的增加,其數值會出現一定程度的降低,比如說在空間站的高度,第一宇宙速度大概就是7.8公里/秒)

如此高的速度是人類目前能夠制造出的任何降落傘都是無法承受的,只要一打開降落傘,立刻就會被空氣形成的巨大阻力撕扯成碎片,另一方面來講,即使降落傘的強度足夠高,它也會與空氣發生劇烈的相互作用,進而產生上千攝氏度的高溫,在這種溫度下,任何降落傘都將很快就被燒毀。

那給宇宙飛船提供反向的推力可不可行呢?答案依然是否定的。從理論上來講,把一個速度為第一宇宙速度的物體減速到速度為零,其消耗的能量與將一個物體的速度從零加速到第一宇宙速度是一樣的。

這就意味著,如果我們想通過給宇宙飛船提供反向推力來讓其慢慢地降落,就需要在發射宇宙飛船時額外攜帶大量的燃料,而想要把這些額外的燃料送上太空,又需要比它們多得多的燃料來提供發射時的動力,以人類現有的發射能力來講,這根本就不可行。

所以在返回地球時,我們只能讓宇宙飛船高速穿過大氣層,盡管這會使飛船面臨被燒毀的風險,但在此過程中,空氣阻力也會使飛船的速度持續降低,當飛船的速度降低到一定的程度時,我們就可以利用降落傘或者反向動力將其進一步減速,并最終讓飛船安全降落到地球表面。

總的來講,目前采用的方法大概可以分為「彈道式」、「滑翔式」以及「跳躍式」,其中「彈道式」就是讓宇宙飛船直接向地球表面墜落,「滑翔式」則是讓宇宙飛船像滑翔機一樣在大氣層中滑翔,并借此延長減速所需要的時間。

相對而言,「跳躍式」的技術含量最高,簡單來講,這種方法就是讓宇宙飛船像「打水漂」一樣在大氣層頂「跳躍」,并在此過程中持續消耗飛船的動能,從而大幅延長減速的時間,使得飛船能夠更加安全地在地球表面著陸。

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