殷冰辉
火箭在地面上发射升空的过程和返回舱在入大气层返回地球虽然都是在大气层里穿梭,但还是有几点不同之处的。
首先来说就是速度和大气层稀薄程度的影响
航天上发射火箭一般都是要把卫星等探测器送出地球绕地飞行甚至是脱离地球束缚,飞向其它天体。这个过程就涉及到了两个速度第一宇宙速度7.9km/s,第二宇宙速度11.2km/秒。所以说火箭发射升空这是一个逐渐加速的过程,一级火箭不够达到第一宇宙速度,就用多级火箭。
而大气层却是越往上越稀薄的,空气密度是逐渐减小的过程。而返回舱或者一些太空垃圾入大气层的初速度就是7.9km/s,虽然有着空气摩擦减速但是却难以抵消地球引力对它的加速。所以说在入大气层不仅速度高,随着降落大气密度越来越大,所以返回时因大气摩擦看起来像燃烧了一样。
火箭等航天设备的特殊构造
火箭头部都会有整流罩加以保护主要防止火箭高速运动时产生的气动加热使有效载荷受损。整流罩采用特殊的材质和结构构成,保证在数千度的高温压缩空气下,材料不被损坏瓦解,保护内部的有效载荷。同时也要保证
而一般返回舱的设计防止在入大气层后燃烧瓦解主要是三种办法:
一是靠吸热式防热,在返回舱上应用导热性能好、熔点高的吸热材料来吸收产生的大量热量;
二是靠辐射式防热,用具有辐射性能很好的的钛合金、陶瓷等复合材料,可以更好的散热;
三是靠烧蚀防热,直接利用特殊高分材料已易融化、升华的带走热量。
而一些探测器在完成任务后落入大气层,没有回收必要,自然希望它燃的越彻底越好。所以设计上不会有防燃烧考虑。
小科普:一般达到航天上的速度已经远超声速,已经可以达到压缩流体的状态,空气被压缩温度会急剧升高达数千度,它们的热量才是导致火箭和返回舱燃烧的主要原因。至于摩擦产热只是其中一小部分。
科学黑洞
人造飞船或者卫星之所以在返回时会被烧毁,一个重要的原因就是没有任何“保护措施”!飞行器直接与大气层摩擦就算是在发射过程中也会燃烧殆尽!这也是战斗机一般不会超过3.5马和飞行的原因(一些极端的验证机不在考虑范围),因为在如此高的速度下飞机机身的铝合金或者钛合金都有可能变形,甚至直接瓦解掉!
YF-12高速截击也才飞出了3.2马赫的速度
火箭发射太空飞行物都要超过第一宇宙速度才行,也就是7.9公里每秒!这个速度自已将飞行器烧毁在大气层了,因此火箭都会使用“整流罩”将飞行器包裹起来,比如前面不就飞向太空的特斯拉跑车!注意看下图中特斯拉跑车周围的黑色整流罩!
这个巨大的整流罩装在猎鹰火箭的顶部,很明显尺寸不是为特斯拉跑车而设计的!不管是运送货物还是载人航天,飞船必须有整流罩的包裹才能安全升空。而穿过大气层之后导弹真空的宇宙空间之后,整流罩就会被抛弃航天器才真正裸露出来,如下图所示:最后一级火箭推动特斯拉时它是裸露在外边的。
其实第一宇宙速度既是最小发射速度也是最大环绕速度!也就是说飞在太空中的飞行物最快的也是7.9公里每秒!航天器飞得越高速度就越慢!但是当返回时都会回归这个最大环绕速度,而且在持续下落过程中都要不断加速!这个过程中的摩擦生热现象非常严重,如果不加任何保护措施航天器不可能完好无损。
航天飞机是往返于大气层的航天器,它在发射和返回过程中都不会配备任何保护措施,那么它是如何保护自己的呢?其实航天飞机的巨额造价就来源于此,航天飞机在发射过程中的最大速度也只有7.9千米每秒,而且是在大气稀薄的高空才达到这个速度,因此只要制造相当于整流罩的飞机壳体就能顺利升空。而在返回时机身表面的大部分壳体都无法满足需要,这时候需要航天飞机摆出一个仰角造型,如下图所示:
航天飞机机腹位置的黑色部分就是耐热性极高的隔热瓦,上部耐热性不好的机身一般不会与大气层直接接触,保持仰角姿势是航天飞机顺利返航的重要技术操作。下图是隔热瓦的特写镜头。
利刃军事
题目所说返回应该指载人航天器、货运飞船、返回式卫星、报废航天器、失控卫星及碎片、火箭残留物及流星体等的再入大气层。这有四个原因。
第一,火箭发射卫星时,卫星有整流罩保护,返回时则没有。
整流罩有特殊的防热设计(采用高强度、轻质、耐高热的材料)。整流罩保护着卫星走出浓密大气层后才抛掉。
而卫星、流星体返回时却没有任何防护罩或其它防护措施(返回式卫星和载人航天器除外),直接裸露着和大气摩擦压缩,所以温度上升很高,引起燃烧。
第二,火箭发射卫星是逐渐加速的,开始时相对于地球的速度是静止的,而返回时速度却非常高。
发射过程中火箭的动力还要克服地球引力,所以加速相对缓慢,当穿过大气层(指浓密大气层)时,卫星的速度通常只有每秒3公里左右,在整个大气层中的速度相对较低。而卫星、流星体等返回时初速度都不低于每秒7.9公里,在地球引力的作用下,速度越来越大,有些流星进入大气层落到地面之前,速度大小能达到每秒20――50公里,大于第三宇宙速度。在和大气强烈作用下温度变得极高,引起燃烧。
第三,是因为飞行路线的设计不同。这也是因为往返飞行特点和任务要求的不同决定的。
为了尽可能快点离开大气层,减少和大气层的作用时间,火箭发射卫星时往往采用垂直发射,
尽可能走最短距离的大气层。所以温度相对升的较低。而卫星(特别是载人航天器)返回时速度很高,为了充分利用大气阻力减速,飞行路线往往选择沿着地球表面弧形坠落,类似于平抛运动的路径,路程往往达几万公里。我国探月工程三期再入返回试验器甚至采用弹跳式两次再入大气层方式返回。
这样可以长时间长距离在大气层中利用大气阻力减速,这样虽然和大气作用时间长,导致温度较高,但好处是在降落地面前能把速度有效降下来,可以节省大量燃料,也避免把飞行器摔坏,另外速度降下来,温度也不会升的过高,所以综合考量采用这种路线返回较好。总而言之,上升时是为了减少热量,而下降时主要是为了有效降速,两者任务要求不同,所以路线设计不同,因而对温度的影响不同。
第四,因飞行要求的不同设计,造成火箭发射和飞行器返回的空气动力差异。
讲这个原因之前,先科普或厘清一点知识:摩擦生热的道理并不完全适用于物体在大气层的下落,也就是说飞行器高速下落时发热的主要原因不是空气和飞行器的摩擦产生的,而是飞行器运动方向上迎着空气的那一面以极高速度压缩空气造成的,这个速度能达到60马赫以上,是飞行器的机械能转化为被压缩空气的内能。
这就象打气筒的下部发热是一个道理,是下部腔内的空气被压缩而发热,不是摩擦发热。下面讲一下第四个原因:因飞行要求的不同设计,火箭发射时火箭顶端的整流罩都设计成接近尖形且非常光滑,就是尽量避免压缩空气和减少空气摩察生热。
而飞行器返回时为了尽快有效减速,充分利用空气阻力,在进入大气层时往往用飞行器的大面向前压缩空气(和第三个原因中讲的让返回舱尽可能长距离长时间处于大气层减速方法共同配合。),因而温度变得十分高。神舟载人飞船返回舱返回时大底面朝前快速划过大气层,象一个火球。
实际上据专家说,返回舱大底面燃烧可以起到有效防热的效果,保护航天员。这是我们科学家故意的设计,表面涂沫一层易燃涂层有意让它燃烧。所以看起来象个大火球在燃烧。当然流星体和卫星碎片是真燃烧。
以上就是发射不燃烧,而返回燃烧的原因。
物原爱牛毛1
简单来说这是速度的问题,火箭带着卫星升空,是一个加速过程,并且大气密度是随着高度的上升而下降的,因此在达到高速时,大气摩擦也不剧烈了。
反观卫星坠地过程,在原本的环绕速度基础上,经引力做功,动能进一步加大(也就是速度更快了),而且大气密度也在不断增加,因此在剧烈的摩擦中,卫星表面开始升温发热发光。
实际上,在发射阶段,卫星是处于整流罩的保护当中,因此卫星也不会受到大气摩擦的影响。
整流罩的作用就是为了保护科研装置而产生的,它能让诸如卫星之类的装置免受气动加热等危害。整流罩一般都是蚌壳式(就如下面的动图,两半分开)
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赛先生科普
因为大气层下面密上面稀薄啊傻逼。火箭发射的时候是慢慢加速,从密到稀,等到速度很高的时候外边已经没空气了,跟谁摩擦生热去?
卫星飞船返回是从近乎真空的空间以高速闯入越来越密的大气层,气动加热当然就越来越厉害,大气阻力将飞船的动能转化成了热能,飞船才会越来越慢啊。
头条上咋都是这种傻逼无脑爱国贼的提问,一点儿技术含量都没有。
作业要自己做。
老馒头簸箕
卫星和火箭飞船升空轨道不是垂直的,二是小距离垂直,然后偏转轨道沿着地球自转方向继续缓慢升空,升至一定轨道和速度,就不需要很大能量继续提升轨道高度了,所以发动机做功对抗重力和空气阻力,然而下降却只有重力做功速度不断升高只对抗空气阻力,速度远高于升空,所以摩擦产热根本不是一个数量级的
sealxlix
同样是高台跳水,为啥中国运动员完美入水,某国就是炸鱼了呢——
因为姿势很重要……
上天是以最小阻力面姿势,”缓慢”上升……
掉落反回——自由落体就不一样了,加速越来越快,姿势五花八门……自然就成炸鱼模式——放烟花
独一看风听雨
这么简单,还用问!?火箭从地面发射,速度是从0开始加速的,所以在低空速度是很慢的,尽管低空的空气密度大;等到速度上来了,超过音速的几倍的时候,已经很高了,而高空的空气密度很低,即使速度达到绕地速度6.9公里每秒,也不会产生多少热量,更何况那里温度特别低,散热非常快。而卫星等航天器再入大气层,本身速度就很高,再受到地心引力加速,会越来越快,可以达到近百公里每秒的速度,而且越是低空,空气密度越大,这样高速度,摩擦产生的热量远远大于散失的热量,导致高温烧毁。
黑日oldboy
发射时是逐步加速的穿出大气层时速度不算太高,反回时速度是7.8左右进入大气层当然摩擦剧烈了。
小桥流水人家2017
速度问题吧,升空的时候比下降是速度小的多。