DearJackal
區分開航天飛機與火箭返回艙的區別,但這兩種載人航天飛機返回地球時都是一樣的,在返回過程只會減速,並不會加速。所以航天飛機返回過程中是無加速通過的。
航天飛機最高時速可以達到每秒八公里。當飛機從外太空返回地球時需要在接近地軌道時才可以由引力牽引至地球上空大氣層之外,之後飛機加速調整自己狀態,因為航飛機速度過快,所以通過大氣層時會產生機身外圍的火星。但機身是有裝防火隔熱材料的,所以並不擔心飛行員的安全問題。
總結理解,機身與周圍空氣摩擦,從而達到飛機減速的情況,而且航天飛機在通過大氣層後,擔心速度過於太快,在機身後面加裝了減速傘的,並不用擔心速度過快進而產生無法承擔的後果。
丶以煙養肺
咱們先來看一幅航天飛機穿越大氣層的圖:
可以看到航天飛機的表面覆蓋著熊熊烈焰,但千萬不要以為冒火了,就代表航天飛機在加速;實際上恰恰相反,這是航天飛機在大氣層中減速導致的現象。
因為航天飛機在軌飛機的速度至少都是每秒數公里,如果還是以如此高的速度降落地球,結局何等慘烈顯而易見。所以航天飛機必須在降落地面前將速度降低到一個安全水平,而通過什麼樣的方式來減速呢?利用自身引擎反向減速?這不實際。
地球有一個天然的現成的“緩速帶”——大氣層,當航天飛機在大氣層中高速下降時,航天飛機前方的空氣會被急劇壓縮導致溫度飆升,熱量同樣會被傳遞給航天飛機,但航天飛機上有先進的隔熱瓦作為防護,可以保證內部人員安全。
通過這種能量的轉化,可以使得航天飛機的動能得以下降,最終以安全速度降落地面。所以說航天飛機“燃燒”並不代表它在加速衝向地球,恰恰相反,那時它在利用大氣層減速而產生的現象。
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賽先生科普
理解錯了,太空飛船返回地球的時候,肯定是在做減速運動,否則以飛船的飛行速度,裡面的宇航員估計會被撞成一灘泥。
我們都知道地球存在引力,如果我們要抵抗地球的引力,就必須達到一定的運動速度才可以,那麼這個速度就是所謂的第一宇宙速度,第一宇宙速度的數值為7.9KM/S,簡單的說太空飛船的速度至少都在7.9千米每秒鐘。
那麼只要保證太空飛船的運動速度不低於這個數值,就可以讓它一直待在太空當中,換言之如果太空飛船的速度如果低於這個數值,這艘飛船或者飛行器就會慢慢從天上掉下來。
所以太空飛船返回地球原理很簡單,只要降低飛船的運動速度就可以了,但降低速度也需要一個過程,由於太空飛船的速度實在太快了,導致它在經過大氣層的時候,和大氣產生了劇烈的摩擦。
摩擦則會產生熱量,於是飛行器的外層就被燒的通紅,那麼大氣摩擦造成減速是非常有必要的,因為飛行器在返回地球的時候,是沒有燃料進行反向推動減速的,如果不充分利用大氣的摩擦,飛行器的速度無法降低到一個安全值。
所以飛行器在通過大氣層的時候,一定是在做減速運動,那麼等到速度降低到一個合適的數值之時,飛行器就會打開降落傘,然後慢慢從天上落下來,到此一次成功航天任務才算達成......
種植恆星
航空航天專業的同學來回答一下這個問題!
這位朋友,你恰巧說反了,宇宙飛船在返回地球的時候,不是加速通過大氣層,而是通過大氣層減速後才得以返回地球的。
你知道在太空中飛行的衛星速度有多高嗎?答案是至少7.9公里每秒。看好了,這裡是7.9公里每秒,不是每小時。要知道,我們現在的汽車時速60公里,換算一下是0.016公里每秒,所以你就可以想象飛在太空中的衛星的速度了。
如果讓衛星以這麼高的速度著陸到地面上,想都不要想,早就摔得粉粉碎了。所以必須要通過一定的方法給飛船減速——最好的辦法當然是用反向推進的方式來給飛船減速。但是一般來說在太空中飛行的飛船根本就沒有太多富裕的燃料,根本不可能用來給如此高速的飛船減速。
所以沒有辦法,只好用與大氣摩擦的方式來給飛船減速了。而且有些時候,為了讓減速更加徹底一些,飛船還要故意做“S”型路線,來延長摩擦的時間(比如說下圖就是航天飛機做S型飛行減速,只有這樣,龐大的航天飛機才能夠把速度降到足夠低)。
當然了,因為摩擦生熱的緣故,摩擦的過程會使飛船的溫度飆升,必須要採取獨特的措施才行。比如說航天飛機上就安裝了特質的隔熱瓦,用來隔絕高溫對船體的傷害(如下圖所示)。
這就是這個問題的答案,不知道我講明白沒有呢?
航小北的日常科普
很榮幸為你解答!我們知道無論是飛船還是隕石,當它們經過大氣層的時候,都會發生燃燒。而且這種燃燒並不是物體本身所具備的,隕石和流星並沒有發生自燃,相反它們因為摩擦而發生的燃燒,而這種燃燒的溫度高達上千攝氏度。問題來了,物體為何會燃燒,飛船又如何來抵禦燃燒!
首先,我們知道地球被一個厚厚的大氣層所覆蓋,大氣層存在的重要性非常大,它不光能使地球的氣溫達到平均,同時它也是產生氣候變化的主要源頭,當然它還能於太陽帶電粒子摩擦引起極光效應。如果大氣層或許生物造就滅絕了。
同理,大氣層之所以能牢牢的被地球鎖住,原因在於氣體的質量。空氣看不見摸不著,但是它們卻有質量,它們都是由原子和亞原子顆粒組成,因此它們的引力和地球形成相互吸引,這樣才使得地球的大氣層得以保存。
我們知道宇宙飛船既然能飛出地球,那麼它的速度肯定超越了第一宇宙速度,也就是每秒鐘7.9公里的速度,當它飛入太空中,它需要達到第二宇宙速度,也就是脫離地球引力的速度。試想一下,宇宙飛船在返航的過程中,以這種速度降落地球的話,和一顆巨大的隕石撞擊地球沒啥區別,這會造成巨大的災難,同時也會危機宇航員的生命。
而我們所提到的,當飛船完成任務後,它會降落地球,由於飛船在發射過程中,它的燃料已經耗盡了,它沒有更多的燃料了。它依靠著地球的萬有引力逐漸的將自己慢慢的脫離原有的軌道,並且將速度降到第一宇宙速度之下,然後慢慢的進入地球,在進入地球的過程中,宇宙飛船將會嘗試進行極限減速。
在這裡給大家科普一下,大家可能會發現為何火箭發射的時候,頭部是尖形狀或者錐形狀(航天飛機除外),大多數的太空飛船返程後,它們都呈不規則的梯形形狀,這是因為在降落的過程,無法進行減速,而這種形狀可以承受更大的阻力,從而達到更好的減速效果。
當飛船在風阻的摩擦下,它的質量會變的越來越大,密度也會越來越高,從而在摩擦的過程中會使飛船頭部加熱,溫度高達上千攝氏度,而在這一過程中,風阻越大,減速效果就越好,同時溫度也就會越高。當速度降到一定程度的時候,阻力變小,質量減小摩擦就無法產生加熱,從而飛船正是的進入內部的大氣層,然後飛船將會在重力和引力的因素下極速的著落,這時候打開飛船的降落傘,慢慢的滑行,直至降落到地面!
通過以上答案,如果在降落的過程中,飛船的設計無法完成更多的減速,那麼飛船就用運用特殊的方式,延長在大氣層中的時間,由於飛船本身的設計是阻擋超高溫的,所以能在大氣層停留相當長的時間。當速度降到一定程度的時候,飛船就可以打開降落傘將速度降到最低,從而完成著陸。當然這種情況很難發生,因為一般的飛船都是經過很多次測量和測試,發生這種事件的概率非常的小!
我是宇宙V空間,一個科普天文愛好者!本文由宇宙V空間原創,轉載請註明出處!如果你對這篇文章有疑問,請在下方評論和留言!圖片源於網絡!
宇宙V空間
現階段,無論是載人飛船,還是貨運飛船,它們都是用火箭送入太空中。當太空飛船執行完任務之後,它們是如何返回地球的呢?
當太空飛船返回時,它們會受到地心引力的作用而向下加速。但同時,稠密的大氣層會讓太空飛船減速。總得來說,太空飛船返回地球時是減速的過程,而非加速落到地球上。
再入大氣層
根據牛頓力學可知,地球的第一宇宙速度為7.9公里,這是太空飛船的最大軌道速度。隨著軌道高度的增加,軌道速度會逐漸下降。載人飛船的軌道高度一般為400公里,對應的軌道速度約為7.7公里/秒。如此巨大的動能,太空飛船沒有足夠的燃料來使自身減速,只能依靠地球稠密的大氣層來減速。
太空飛船在軌道上先啟動火箭發動機進行制動,使它能夠脫離原來的軌道,並在地球引力的作用下再入大氣層。一般來說,100公里是太空分界線。太空飛船再入大氣層的方式有很多種,例如,彈道式、跳躍式、滑翔式,無論哪一種都是利用空氣阻力進行減速。
在太空飛船再入大氣層的過程中,由於飛船前方的空氣被強烈壓縮(而非飛船與空氣劇烈摩擦),導致飛船外表的溫度大幅度升高至1000度以上。為了保證飛船的安全,需要採取措施來應對這種高溫。
飛船如何應對高溫?
我國的神舟載人飛船系列會在飛船外表塗上一層燒蝕材料,它們在高溫的作用下會被燒燬,脫離飛船,從而帶走大量的熱量。美國宇航局(NASA)的航天飛機則是採用隔熱瓦,機腹覆蓋著隔熱陶瓷,機翼和機鼻上安裝的是碳-碳複合材料,其餘機身使用其他隔熱材料。
隔熱材料對於太空飛船的安全返回起到至關重要的作用。在2003年,NASA的哥倫比亞號航天飛機升空時,由於外掛燃料箱上的泡沫掉下來擊中機翼,打穿了機翼上的一塊隔熱瓦。當哥倫比亞號航天飛機返航時,熾熱的氣體從機翼上的破洞大量湧入,導致航天飛機解體,機上的7位宇航員全部遇難。
當太空飛船的速度得到充分減速後,將會打開巨型的降落傘,使飛船進一步減速到每秒十幾米。我國的神舟載人飛船在離地面大約1.4米時,還會啟動反推火箭,以使飛船能夠安全著陸。NASA的航天飛機則是採用滑翔的方式返回地球,最後著陸時也會打開減速傘進行制動。
太空飛船返回時會經歷高溫,為什麼升空時不會呢?
原因在於火箭升空時,其速度並不快。火箭起飛時的重量大,並且稠密的大氣層會產生很大的阻力,所以火箭加速困難,速度較小,氣動熱效應並不強烈。
當火箭穿過稠密的地球大氣層之後,由於空氣阻力更小,火箭的質量變得更低,後續的加速變得更容易,並且也不會出現很強的氣動熱效應。正因為如此,哥倫比亞號航天飛機才能帶著一個破洞安全飛上太空。
太空電梯
如果未來能夠建成太空電梯,那麼,往返太空時不會經歷巨大的速度變化,也不會產生極高的溫度,隔熱將不再是一個大問題。只是目前沒有強度足夠高的材料,太空電梯還停留在理論階段。
火星一號
飛船返回地球,並沒有加速,而是減速,最終使得速度降低到可以使用航天降落傘的程度:
飛船繞地飛行的速度就是位於第一宇宙速度和第二宇宙速度之間,大概是7900米/秒和11200米/秒。而飛船想要著陸,必須把速度降低到7900米/秒以下。但由於飛船攜帶的燃料往往並不是很多,所以飛船返回艙返回地球時進入大氣層的速度幾乎接近7900米/秒,如此巨大的一個速度將會和大氣層產生劇烈的摩擦,摩擦將會產生大量的熱量,使得飛船在減速的同時,溫度也將會達到恐怖的1600℃。
這個溫度是什麼概念呢?
就是鐵、鋼、銅、金、鋁等材質的材料,將會直接融化!所以,飛船返回時的外表必須要使用隔特殊的製造技術和材料,阻止熱量、隔絕熱量傳遞到飛船內部!一般可以使用一下兩種方式做到阻熱和隔熱:1.使用碳複合材料隔熱,使得外面的熱量無法傳遞到內部。2.使用一些比較容易燒灼的材料把熱量帶走。經過這兩個途徑,可以使得飛船內部溫度適中,保證航天員安全。
所以,從上面可以看出來,飛船安全返回的關鍵就是這種隔熱和散熱材料。而這些材料,都是花費無數科學家很多心血研製出來的。要不說基礎科學很重要呢,國家大力對基礎科學投入,是肯定對的!
科學探秘頻道
為什麼飛船返回地球要加速通過大氣層呢?
其實是因為這樣會減少燃料的消耗,如果均速或以更慢的速度返回地球,會消耗超級多的燃料,目前的航天飛船還沒有辦法攜帶如此多燃料。
現實中我們的航天器返回艙都是沒有燃料的,包括航天飛機,都是利用大氣層減速,如果返回艙不加速返回地球,那麼就需要在大氣層外減速到足夠低,因為航天器在近地軌道的速度接近7.9公里/秒,想均速回來只能提前減速,減速需要燃料,將7.9公里/秒的速度減少,需要的燃料太多了,至少像一級火箭一樣多,即使能做到這點,也不一定可以均速返回地球。
而均速的條件是外力為零,也就是需要航天器受到的重力等於推力,假設減少7.9公里/秒到300米/秒,那麼航天器還需要消耗還是需要消耗燃料維持這個過程,可是剛才減速的燃料已經無法做到了。
日本之前就有一個研究——研究紙飛機,但是不是在地上扔,而是在太空往地球上扔,紙飛機在被扔下來的時候並不會有其他外力的作用,所以它會一直運動下去,質量足夠小的時候,慣性也是非常小的,這樣的話,紙飛機以較高速度剛進入大氣層後,就會因為重量輕而被減速,然後以微小重力狀態緩緩穿越大氣層並安全返回地球。
相信未來會有這麼一項技術,大家拭目以待!
河北薛之謙
感謝提問,這個問題本身就存在誤解,飛船返回地球后是不可能呈加速運動的,而且也沒有飛船的再入過程是需要加速的案例。如果真是這樣的話你知道落地的瞬時速度會是多大嗎?這個恐怕早已超過了返回艙所能承受的撞擊的極限吧,那就更不用說返回艙內的航天員了,具體什麼場面我就不講了,自己腦補一下。
眾所周知,由於地球引力的存在,因此所有繞地球飛行作圓周運動的物體就必須要達到第一宇宙速度,也就是每秒7.9公里,而要克服地球引力的束縛飛離地球進入到環繞太陽運行的軌道,就必須要達到第二宇宙速度,也就是每秒11.2公里。
從上文第一宇宙速度和第二宇宙速度的定義的內容中不難得出,當環繞地球做圓周運動的物體一旦速度低於第一宇宙速度或第二宇宙速度(7.9公里/秒、11.2公里/秒),那麼該物體將會在地球的引力作用下不斷下降,也就是引力勢能轉變為動能。因此要想讓飛船返回地球,首先必須要降低飛船原來的速度,只有這樣才能降低飛船的軌道以及為後續相關操作做準備。
當關閉飛船的發動機後,由於地球高層大氣十分稀薄,因此在飛船下降過程的初期可理解為飛船僅在地球的萬有引力作用下運動。這時候雖然飛船的速度有所降低,其高度也在不斷的下降,但是隨著勢能的不斷轉換,飛船的下降速度隨之增加。
當飛船到達地球大氣層頂部時,飛船的外殼會與地球大氣層發生劇烈摩擦和燃燒(就如同隕石墜落一樣),這一過程會使飛船的頭部溫度達幾千攝氏度,但也會因為大氣的阻力而使飛船減速,而且減速度可以達到飛船重力的好幾倍。
實際上飛船進入地球大氣層後,大氣層就充當了飛船的“降落傘”,飛船在大氣的阻力下持續“剎車”直至距地面約10000米的高度降低為“音速”或“亞音速”,這個時候飛船已經差不多消耗了約99%的動能了,便可打開減速傘實行人工減速,最後以每秒10米的速度著陸。
從飛船返回地球的過程來看,先後經過了降速、增速再到降速的過程,由於飛船再入大氣層後,會以很高的速度與大氣層發生劇烈摩擦和燃燒,這一過程是相當危險的,也是航天員最難受的階段,同時這一加速的過程也是不可控的,因此除了“不惜燃燒的危險加速通過大氣層”別無它選,畢竟要想加上反推火箭在技術上沒有較大難度,但這樣既給發射帶來較大難度,同時也會使發射成本大幅增加。
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地理那些事
為什麼飛船返回地球時,要不惜燃燒的危險加速通過大氣層?
從太空受控返回地球,這是一個非常有意思的話題,對於大部分衛星來說並不會經歷這個過程,因為是單向的任務,只要將它送上天,壽命結束後就任其自生自滅了。但返回式衛星和載人宇宙飛船卻不行,要能上得去,也能下得來,因此在厚厚大氣層包裹的地球上,穿過危險的大氣層到達地面,就成了航天器完成任務最後一道難關了,俗話說,上山容易下山難,我們今天來說說這難在哪裡。
重返大氣層會經歷幾個過程?
從在軌飛行的航天器到成功著陸地面,一般會經歷如下幾個過程:
- 航天器離軌階段
- 航天器再入階段
- 航天器著陸階段
這是返回式航天器必須要經歷的幾個過程,我們首先來說說:
航天器如何離軌
正常工作的衛星或者飛船它的軌道和星下點並不一定經過返回目的地,因此在返回前必須有一點要做的就是星下點經過著陸區,完成這個工作之後接下來將是減速離軌階段,利用航天器主發動機反向推力減速(請注意是減速)或者變軌發動機制動,保證航天器進入一條新的軌道,這條軌道是航天器考慮氣動效應、穿越大氣層到達著陸場地的預定軌道,軌道的起點座標與制動的精度將十分關鍵,所謂的失之毫厘謬以千里將從此開始。
返回艙和軌道器分離,這是第一步
航天器的再入階段
在離軌道到下一階段再入大氣層之前,軌道參數都將可以調整,但問題是得發現航天器的軌道參數是否正確。如果沒有發現錯誤,那麼就接受大氣層的洗禮吧。一般再入階段有兩種方式:
- 彈道再入
- 升力再入
彈道方式再入時,大氣層對航天器只有阻力卻沒有勝利,或者說盡管有升力,但卻無法控制軌跡的方式,都成為彈道載入,比如前蘇聯早期的“東方號”返回艙就是一個球體,美國“水星號”則是一個鐘形,兩者都是彈道再入的方式。這種方式穿越大氣層時間短,過載大,氣動加熱溫度高,返回過程無法控制,落點的精度取決於再入軌道的座標與再入減速的控制,一旦進入彈道返回軌道,那麼一切將無法控制。
升力再入時航天器會有優化的氣動與控制技術,在再入大氣層時將產生可控的升力,比如航天器的軌道趨向於滑翔式軌道或者類似水漂跳躍式軌道,減緩下降過程中的過載,將氣動加熱的峰值分散到各個時間段,對航天器的熱控峰值要求降低,但時間增加也是一個考驗。美國的阿波羅飛船返回時就是升力載入,包括我國的神舟五號(也是一個鐘形),但它的返回過程由GNC分系統進行再入過程中的升力控制,因此它是彈道-升力再入。
升力再入能夠取得比彈道再入更精確的落點,並且升力再入階段會由控制系統干預修正,因此它的再入走廊寬度將大大增加,以便應對各種返回條件,比如第二宇宙速度進入大氣層的月球軌道返回,則必須採用升力再入,如果以彈道返回,那很可能成為一顆流星,那麼高速度連降落傘都沒有條件打開(我國2013年的小飛(嫦娥五號 T1飛行試驗器,綽號 舞娣)用的就是水漂彈道方式升力再入)
不過需要注意的是,各位看到神舟飛船都是大頭超前的大氣層內燒蝕階段,而初期的升力再入可不是這樣的方式,是小頭朝前產生足夠的升力,控制下降速度和角度。
在到達距離地面高度120千米高度時(此時速度約7.5千米/秒),將轉換為耐燒蝕大底朝前的大氣層內高超音速激波阻力下降階段。此時將會經歷一個黑障階段。
因為高溫被電離的大氣以及燒蝕材料的等離子體包裹航天器,只有極高頻波段才能進行通訊。
溫度越高,能穿透的信號所需要的頻率也越高,如果通訊波段不在這個區間,那麼就出現了所謂的黑障,因此航天器的黑障階段並不是不同通訊,而是我們常用的無線電波段無法進出等離子體包裹區域,黑障階段也是航天器最危險的一個階段,因為高溫燒蝕材料能否扛過這個階段就看這幾分鐘了(根據再入方式的不同,一般在4-7分鐘之間)。
可能與很多朋友想象的不一樣,飛船燒蝕大底的材料不是對抗高溫,而是被燃燒分解,以便帶走大量的熱,從而保住飛船,所以這個材料是耐燒蝕,不是抗燒蝕。
2003年美國“哥倫比亞”號航天飛機返回時在大氣層內解體
航天飛機返回與宇宙飛船返回大致類似,但它是全氣動結構,因此它的過載更低(彈道返回過載8-9G,接近人體極限,彈道-升力返回過載3-4G,航天飛機1.5G),更適合普通未經專業訓練人員乘坐,但它氣動結構複雜增加了風險係數,並且歷經一次發射爆炸事故,一次返回解體事故後當前已經全面退出航天任務。
著陸階段
因為存在大氣層,所以航天器返回時可以使用大氣層阻力減速,前文的再入階段副產品就是減速,而最後速度逐漸降低,航天器出了黑障階段,那麼就需要考慮減速和開主傘(10-20千米高度),為最後著陸做準備。
阿波羅11號返回艙打開降落傘的過程圖解
然後拋掉防熱大底,在距離地面約1米的高度開啟反推火箭,減速到3.5米/秒以下的速度軟著陸。
無大氣層返回時的過程
其實這不叫無大氣層返回,這個只能稱為降落,因為到現在為止返回只能在地球上實施,而降落可以擴展到月球和火星,火星有一層薄薄的大氣,與地球類似,但它的速度更高(氣動阻力作用不明顯),而月球可以認為無大氣層,只能全程動力減速下降,根據動能守恆定律,我們花多少能量將飛行器從靜止加速到這個速度,那麼就需要多少能量將它減速到著陸時的零速,唯一的差別時著陸時比發射時有更小的質量,因此回程減速燃料消耗會降低。
請注意這個發動機一直都是開啟的,一直到最後階段關機落月,由緩衝支撐吸收最後的動能。
為什麼有大氣層時不選擇動力下降,而採用大氣層減速的方式?
其實這很簡單,月球第一宇宙速度只有1.68千米/秒,從月球軌道往下降的時減速的分量也就這個1.68千米/秒,而且月球無大氣,只能採用動力減速下降。
而地球第一宇宙速度高達7.9千米/秒(離軌速度約7.5千米/秒),減速發動機需要消耗大量的燃料才能減速到0,不過地球有一個大氣層,儘管它會帶來超高溫,但也是一個減速的好工具,而且耐燒蝕大底的質量與攜帶的減速燃料相比,那是一筆飛船划算的帳,各種科普資料都告訴大家,每千克質量到近地軌道的成本約1萬美元以上,這至少也是數十噸的燃料可省不少錢,馬克思說過,只要有50%的利潤,就會有人不惜鋌而走險,而超過300%的利潤,可以踐踏人間一切法律,不過摘取到這個利潤可不需要殺人放火,而是燒蝕材料的研製,光明正大哦,搞定還有大把科研獎金哦!
神舟十一號飛船返回艙,請注意燒黑的外殼以及已經拋棄的絕熱大底。
所以,暫時是人類技術限制,因為火箭發動機還不足以支撐在地球大氣層內全程動力下降,也是成本的考慮,但未來技術提升以後,比如大氣層內的離子發動機搞定了,估計未來動力減速下降就會普及,畢竟這舒適度極高啊。當然未來的太空電梯實現了的話,就沒有這檔么蛾子事件啦。