为什么飞船返回地球时,要不惜燃烧的危险加速通过大气层?

DearJackal


区分开航天飞机与火箭返回舱的区别,但这两种载人航天飞机返回地球时都是一样的,在返回过程只会减速,并不会加速。所以航天飞机返回过程中是无加速通过的。

航天飞机最高时速可以达到每秒八公里。当飞机从外太空返回地球时需要在接近地轨道时才可以由引力牵引至地球上空大气层之外,之后飞机加速调整自己状态,因为航飞机速度过快,所以通过大气层时会产生机身外围的火星。但机身是有装防火隔热材料的,所以并不担心飞行员的安全问题。

总结理解,机身与周围空气摩擦,从而达到飞机减速的情况,而且航天飞机在通过大气层后,担心速度过于太快,在机身后面加装了减速伞的,并不用担心速度过快进而产生无法承担的后果。




丶以煙养肺


咱们先来看一幅航天飞机穿越大气层的图:

可以看到航天飞机的表面覆盖着熊熊烈焰,但千万不要以为冒火了,就代表航天飞机在加速;实际上恰恰相反,这是航天飞机在大气层中减速导致的现象。

因为航天飞机在轨飞机的速度至少都是每秒数公里,如果还是以如此高的速度降落地球,结局何等惨烈显而易见。所以航天飞机必须在降落地面前将速度降低到一个安全水平,而通过什么样的方式来减速呢?利用自身引擎反向减速?这不实际。

地球有一个天然的现成的“缓速带”——大气层,当航天飞机在大气层中高速下降时,航天飞机前方的空气会被急剧压缩导致温度飙升,热量同样会被传递给航天飞机,但航天飞机上有先进的隔热瓦作为防护,可以保证内部人员安全。

通过这种能量的转化,可以使得航天飞机的动能得以下降,最终以安全速度降落地面。所以说航天飞机“燃烧”并不代表它在加速冲向地球,恰恰相反,那时它在利用大气层减速而产生的现象。

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赛先生科普



理解错了,太空飞船返回地球的时候,肯定是在做减速运动,否则以飞船的飞行速度,里面的宇航员估计会被撞成一滩泥。

我们都知道地球存在引力,如果我们要抵抗地球的引力,就必须达到一定的运动速度才可以,那么这个速度就是所谓的第一宇宙速度,第一宇宙速度的数值为7.9KM/S,简单的说太空飞船的速度至少都在7.9千米每秒钟。

那么只要保证太空飞船的运动速度不低于这个数值,就可以让它一直待在太空当中,换言之如果太空飞船的速度如果低于这个数值,这艘飞船或者飞行器就会慢慢从天上掉下来。

所以太空飞船返回地球原理很简单,只要降低飞船的运动速度就可以了,但降低速度也需要一个过程,由于太空飞船的速度实在太快了,导致它在经过大气层的时候,和大气产生了剧烈的摩擦。



摩擦则会产生热量,于是飞行器的外层就被烧的通红,那么大气摩擦造成减速是非常有必要的,因为飞行器在返回地球的时候,是没有燃料进行反向推动减速的,如果不充分利用大气的摩擦,飞行器的速度无法降低到一个安全值。

所以飞行器在通过大气层的时候,一定是在做减速运动,那么等到速度降低到一个合适的数值之时,飞行器就会打开降落伞,然后慢慢从天上落下来,到此一次成功航天任务才算达成......


种植恒星


航空航天专业的同学来回答一下这个问题!

这位朋友,你恰巧说反了,宇宙飞船在返回地球的时候,不是加速通过大气层,而是通过大气层减速后才得以返回地球的。

你知道在太空中飞行的卫星速度有多高吗?答案是至少7.9公里每秒。看好了,这里是7.9公里每秒,不是每小时。要知道,我们现在的汽车时速60公里,换算一下是0.016公里每秒,所以你就可以想象飞在太空中的卫星的速度了。

如果让卫星以这么高的速度着陆到地面上,想都不要想,早就摔得粉粉碎了。所以必须要通过一定的方法给飞船减速——最好的办法当然是用反向推进的方式来给飞船减速。但是一般来说在太空中飞行的飞船根本就没有太多富裕的燃料,根本不可能用来给如此高速的飞船减速。

所以没有办法,只好用与大气摩擦的方式来给飞船减速了。而且有些时候,为了让减速更加彻底一些,飞船还要故意做“S”型路线,来延长摩擦的时间(比如说下图就是航天飞机做S型飞行减速,只有这样,庞大的航天飞机才能够把速度降到足够低)。

当然了,因为摩擦生热的缘故,摩擦的过程会使飞船的温度飙升,必须要采取独特的措施才行。比如说航天飞机上就安装了特质的隔热瓦,用来隔绝高温对船体的伤害(如下图所示)。

这就是这个问题的答案,不知道我讲明白没有呢?


航小北的日常科普


很荣幸为你解答!我们知道无论是飞船还是陨石,当它们经过大气层的时候,都会发生燃烧。而且这种燃烧并不是物体本身所具备的,陨石和流星并没有发生自燃,相反它们因为摩擦而发生的燃烧,而这种燃烧的温度高达上千摄氏度。问题来了,物体为何会燃烧,飞船又如何来抵御燃烧!

首先,我们知道地球被一个厚厚的大气层所覆盖,大气层存在的重要性非常大,它不光能使地球的气温达到平均,同时它也是产生气候变化的主要源头,当然它还能于太阳带电粒子摩擦引起极光效应。如果大气层或许生物造就灭绝了。

同理,大气层之所以能牢牢的被地球锁住,原因在于气体的质量。空气看不见摸不着,但是它们却有质量,它们都是由原子和亚原子颗粒组成,因此它们的引力和地球形成相互吸引,这样才使得地球的大气层得以保存。

我们知道宇宙飞船既然能飞出地球,那么它的速度肯定超越了第一宇宙速度,也就是每秒钟7.9公里的速度,当它飞入太空中,它需要达到第二宇宙速度,也就是脱离地球引力的速度。试想一下,宇宙飞船在返航的过程中,以这种速度降落地球的话,和一颗巨大的陨石撞击地球没啥区别,这会造成巨大的灾难,同时也会危机宇航员的生命。

而我们所提到的,当飞船完成任务后,它会降落地球,由于飞船在发射过程中,它的燃料已经耗尽了,它没有更多的燃料了。它依靠着地球的万有引力逐渐的将自己慢慢的脱离原有的轨道,并且将速度降到第一宇宙速度之下,然后慢慢的进入地球,在进入地球的过程中,宇宙飞船将会尝试进行极限减速。

在这里给大家科普一下,大家可能会发现为何火箭发射的时候,头部是尖形状或者锥形状(航天飞机除外),大多数的太空飞船返程后,它们都呈不规则的梯形形状,这是因为在降落的过程,无法进行减速,而这种形状可以承受更大的阻力,从而达到更好的减速效果。

当飞船在风阻的摩擦下,它的质量会变的越来越大,密度也会越来越高,从而在摩擦的过程中会使飞船头部加热,温度高达上千摄氏度,而在这一过程中,风阻越大,减速效果就越好,同时温度也就会越高。当速度降到一定程度的时候,阻力变小,质量减小摩擦就无法产生加热,从而飞船正是的进入内部的大气层,然后飞船将会在重力和引力的因素下极速的着落,这时候打开飞船的降落伞,慢慢的滑行,直至降落到地面!

通过以上答案,如果在降落的过程中,飞船的设计无法完成更多的减速,那么飞船就用运用特殊的方式,延长在大气层中的时间,由于飞船本身的设计是阻挡超高温的,所以能在大气层停留相当长的时间。当速度降到一定程度的时候,飞船就可以打开降落伞将速度降到最低,从而完成着陆。当然这种情况很难发生,因为一般的飞船都是经过很多次测量和测试,发生这种事件的概率非常的小!

我是宇宙V空间,一个科普天文爱好者!本文由宇宙V空间原创,转载请注明出处!如果你对这篇文章有疑问,请在下方评论和留言!图片源于网络!


宇宙V空间


现阶段,无论是载人飞船,还是货运飞船,它们都是用火箭送入太空中。当太空飞船执行完任务之后,它们是如何返回地球的呢?

当太空飞船返回时,它们会受到地心引力的作用而向下加速。但同时,稠密的大气层会让太空飞船减速。总得来说,太空飞船返回地球时是减速的过程,而非加速落到地球上。

再入大气层

根据牛顿力学可知,地球的第一宇宙速度为7.9公里,这是太空飞船的最大轨道速度。随着轨道高度的增加,轨道速度会逐渐下降。载人飞船的轨道高度一般为400公里,对应的轨道速度约为7.7公里/秒。如此巨大的动能,太空飞船没有足够的燃料来使自身减速,只能依靠地球稠密的大气层来减速。

太空飞船在轨道上先启动火箭发动机进行制动,使它能够脱离原来的轨道,并在地球引力的作用下再入大气层。一般来说,100公里是太空分界线。太空飞船再入大气层的方式有很多种,例如,弹道式、跳跃式、滑翔式,无论哪一种都是利用空气阻力进行减速。

在太空飞船再入大气层的过程中,由于飞船前方的空气被强烈压缩(而非飞船与空气剧烈摩擦),导致飞船外表的温度大幅度升高至1000度以上。为了保证飞船的安全,需要采取措施来应对这种高温。

飞船如何应对高温?

我国的神舟载人飞船系列会在飞船外表涂上一层烧蚀材料,它们在高温的作用下会被烧毁,脱离飞船,从而带走大量的热量。美国宇航局(NASA)的航天飞机则是采用隔热瓦,机腹覆盖着隔热陶瓷,机翼和机鼻上安装的是碳-碳复合材料,其余机身使用其他隔热材料。

隔热材料对于太空飞船的安全返回起到至关重要的作用。在2003年,NASA的哥伦比亚号航天飞机升空时,由于外挂燃料箱上的泡沫掉下来击中机翼,打穿了机翼上的一块隔热瓦。当哥伦比亚号航天飞机返航时,炽热的气体从机翼上的破洞大量涌入,导致航天飞机解体,机上的7位宇航员全部遇难。

当太空飞船的速度得到充分减速后,将会打开巨型的降落伞,使飞船进一步减速到每秒十几米。我国的神舟载人飞船在离地面大约1.4米时,还会启动反推火箭,以使飞船能够安全着陆。NASA的航天飞机则是采用滑翔的方式返回地球,最后着陆时也会打开减速伞进行制动。

太空飞船返回时会经历高温,为什么升空时不会呢?

原因在于火箭升空时,其速度并不快。火箭起飞时的重量大,并且稠密的大气层会产生很大的阻力,所以火箭加速困难,速度较小,气动热效应并不强烈。

当火箭穿过稠密的地球大气层之后,由于空气阻力更小,火箭的质量变得更低,后续的加速变得更容易,并且也不会出现很强的气动热效应。正因为如此,哥伦比亚号航天飞机才能带着一个破洞安全飞上太空。

太空电梯

如果未来能够建成太空电梯,那么,往返太空时不会经历巨大的速度变化,也不会产生极高的温度,隔热将不再是一个大问题。只是目前没有强度足够高的材料,太空电梯还停留在理论阶段。


火星一号


飞船返回地球,并没有加速,而是减速,最终使得速度降低到可以使用航天降落伞的程度:



飞船绕地飞行的速度就是位于第一宇宙速度和第二宇宙速度之间,大概是7900米/秒和11200米/秒。而飞船想要着陆,必须把速度降低到7900米/秒以下。但由于飞船携带的燃料往往并不是很多,所以飞船返回舱返回地球时进入大气层的速度几乎接近7900米/秒,如此巨大的一个速度将会和大气层产生剧烈的摩擦,摩擦将会产生大量的热量,使得飞船在减速的同时,温度也将会达到恐怖的1600℃。



这个温度是什么概念呢?

就是铁、钢、铜、金、铝等材质的材料,将会直接融化!所以,飞船返回时的外表必须要使用隔特殊的制造技术和材料,阻止热量、隔绝热量传递到飞船内部!一般可以使用一下两种方式做到阻热和隔热:1.使用碳复合材料隔热,使得外面的热量无法传递到内部。2.使用一些比较容易烧灼的材料把热量带走。经过这两个途径,可以使得飞船内部温度适中,保证航天员安全。





所以,从上面可以看出来,飞船安全返回的关键就是这种隔热和散热材料。而这些材料,都是花费无数科学家很多心血研制出来的。要不说基础科学很重要呢,国家大力对基础科学投入,是肯定对的!


科学探秘频道


为什么飞船返回地球要加速通过大气层呢?

其实是因为这样会减少燃料的消耗,如果均速或以更慢的速度返回地球,会消耗超级多的燃料,目前的航天飞船还没有办法携带如此多燃料。


现实中我们的航天器返回舱都是没有燃料的,包括航天飞机,都是利用大气层减速,如果返回舱不加速返回地球,那么就需要在大气层外减速到足够低,因为航天器在近地轨道的速度接近7.9公里/秒,想均速回来只能提前减速,减速需要燃料,将7.9公里/秒的速度减少,需要的燃料太多了,至少像一级火箭一样多,即使能做到这点,也不一定可以均速返回地球。

而均速的条件是外力为零,也就是需要航天器受到的重力等于推力,假设减少7.9公里/秒到300米/秒,那么航天器还需要消耗还是需要消耗燃料维持这个过程,可是刚才减速的燃料已经无法做到了。



日本之前就有一个研究——研究纸飞机,但是不是在地上扔,而是在太空往地球上扔,纸飞机在被扔下来的时候并不会有其他外力的作用,所以它会一直运动下去,质量足够小的时候,惯性也是非常小的,这样的话,纸飞机以较高速度刚进入大气层后,就会因为重量轻而被减速,然后以微小重力状态缓缓穿越大气层并安全返回地球。

相信未来会有这么一项技术,大家拭目以待!


河北薛之谦


感谢提问,这个问题本身就存在误解,飞船返回地球后是不可能呈加速运动的,而且也没有飞船的再入过程是需要加速的案例。如果真是这样的话你知道落地的瞬时速度会是多大吗?这个恐怕早已超过了返回舱所能承受的撞击的极限吧,那就更不用说返回舱内的航天员了,具体什么场面我就不讲了,自己脑补一下。

众所周知,由于地球引力的存在,因此所有绕地球飞行作圆周运动的物体就必须要达到第一宇宙速度,也就是每秒7.9公里,而要克服地球引力的束缚飞离地球进入到环绕太阳运行的轨道,就必须要达到第二宇宙速度,也就是每秒11.2公里。


从上文第一宇宙速度和第二宇宙速度的定义的内容中不难得出,当环绕地球做圆周运动的物体一旦速度低于第一宇宙速度或第二宇宙速度(7.9公里/秒、11.2公里/秒),那么该物体将会在地球的引力作用下不断下降,也就是引力势能转变为动能。因此要想让飞船返回地球,首先必须要降低飞船原来的速度,只有这样才能降低飞船的轨道以及为后续相关操作做准备。

当关闭飞船的发动机后,由于地球高层大气十分稀薄,因此在飞船下降过程的初期可理解为飞船仅在地球的万有引力作用下运动。这时候虽然飞船的速度有所降低,其高度也在不断的下降,但是随着势能的不断转换,飞船的下降速度随之增加。

当飞船到达地球大气层顶部时,飞船的外壳会与地球大气层发生剧烈摩擦和燃烧(就如同陨石坠落一样),这一过程会使飞船的头部温度达几千摄氏度,但也会因为大气的阻力而使飞船减速,而且减速度可以达到飞船重力的好几倍。

实际上飞船进入地球大气层后,大气层就充当了飞船的“降落伞”,飞船在大气的阻力下持续“刹车”直至距地面约10000米的高度降低为“音速”或“亚音速”,这个时候飞船已经差不多消耗了约99%的动能了,便可打开减速伞实行人工减速,最后以每秒10米的速度着陆。

从飞船返回地球的过程来看,先后经过了降速、增速再到降速的过程,由于飞船再入大气层后,会以很高的速度与大气层发生剧烈摩擦和燃烧,这一过程是相当危险的,也是航天员最难受的阶段,同时这一加速的过程也是不可控的,因此除了“不惜燃烧的危险加速通过大气层”别无它选,毕竟要想加上反推火箭在技术上没有较大难度,但这样既给发射带来较大难度,同时也会使发射成本大幅增加。

以上内容,欢迎点评!


地理那些事


为什么飞船返回地球时,要不惜燃烧的危险加速通过大气层?

从太空受控返回地球,这是一个非常有意思的话题,对于大部分卫星来说并不会经历这个过程,因为是单向的任务,只要将它送上天,寿命结束后就任其自生自灭了。但返回式卫星和载人宇宙飞船却不行,要能上得去,也能下得来,因此在厚厚大气层包裹的地球上,穿过危险的大气层到达地面,就成了航天器完成任务最后一道难关了,俗话说,上山容易下山难,我们今天来说说这难在哪里。

重返大气层会经历几个过程?

从在轨飞行的航天器到成功着陆地面,一般会经历如下几个过程:

  • 航天器离轨阶段
  • 航天器再入阶段
  • 航天器着陆阶段

这是返回式航天器必须要经历的几个过程,我们首先来说说:

航天器如何离轨

正常工作的卫星或者飞船它的轨道和星下点并不一定经过返回目的地,因此在返回前必须有一点要做的就是星下点经过着陆区,完成这个工作之后接下来将是减速离轨阶段,利用航天器主发动机反向推力减速(请注意是减速)或者变轨发动机制动,保证航天器进入一条新的轨道,这条轨道是航天器考虑气动效应、穿越大气层到达着陆场地的预定轨道,轨道的起点坐标与制动的精度将十分关键,所谓的失之毫厘谬以千里将从此开始。

返回舱和轨道器分离,这是第一步

航天器的再入阶段

在离轨道到下一阶段再入大气层之前,轨道参数都将可以调整,但问题是得发现航天器的轨道参数是否正确。如果没有发现错误,那么就接受大气层的洗礼吧。一般再入阶段有两种方式:

  • 弹道再入
  • 升力再入

弹道方式再入时,大气层对航天器只有阻力却没有胜利,或者说尽管有升力,但却无法控制轨迹的方式,都成为弹道载入,比如前苏联早期的“东方号”返回舱就是一个球体,美国“水星号”则是一个钟形,两者都是弹道再入的方式。这种方式穿越大气层时间短,过载大,气动加热温度高,返回过程无法控制,落点的精度取决于再入轨道的坐标与再入减速的控制,一旦进入弹道返回轨道,那么一切将无法控制。

升力再入时航天器会有优化的气动与控制技术,在再入大气层时将产生可控的升力,比如航天器的轨道趋向于滑翔式轨道或者类似水漂跳跃式轨道,减缓下降过程中的过载,将气动加热的峰值分散到各个时间段,对航天器的热控峰值要求降低,但时间增加也是一个考验。美国的阿波罗飞船返回时就是升力载入,包括我国的神舟五号(也是一个钟形),但它的返回过程由GNC分系统进行再入过程中的升力控制,因此它是弹道-升力再入。

升力再入能够取得比弹道再入更精确的落点,并且升力再入阶段会由控制系统干预修正,因此它的再入走廊宽度将大大增加,以便应对各种返回条件,比如第二宇宙速度进入大气层的月球轨道返回,则必须采用升力再入,如果以弹道返回,那很可能成为一颗流星,那么高速度连降落伞都没有条件打开(我国2013年的小飞(嫦娥五号 T1飞行试验器,绰号 舞娣)用的就是水漂弹道方式升力再入)

不过需要注意的是,各位看到神舟飞船都是大头超前的大气层内烧蚀阶段,而初期的升力再入可不是这样的方式,是小头朝前产生足够的升力,控制下降速度和角度。

在到达距离地面高度120千米高度时(此时速度约7.5千米/秒),将转换为耐烧蚀大底朝前的大气层内高超音速激波阻力下降阶段。此时将会经历一个黑障阶段。

因为高温被电离的大气以及烧蚀材料的等离子体包裹航天器,只有极高频波段才能进行通讯。

温度越高,能穿透的信号所需要的频率也越高,如果通讯波段不在这个区间,那么就出现了所谓的黑障,因此航天器的黑障阶段并不是不同通讯,而是我们常用的无线电波段无法进出等离子体包裹区域,黑障阶段也是航天器最危险的一个阶段,因为高温烧蚀材料能否扛过这个阶段就看这几分钟了(根据再入方式的不同,一般在4-7分钟之间)。

可能与很多朋友想象的不一样,飞船烧蚀大底的材料不是对抗高温,而是被燃烧分解,以便带走大量的热,从而保住飞船,所以这个材料是耐烧蚀,不是抗烧蚀。

2003年美国“哥伦比亚”号航天飞机返回时在大气层内解体

航天飞机返回与宇宙飞船返回大致类似,但它是全气动结构,因此它的过载更低(弹道返回过载8-9G,接近人体极限,弹道-升力返回过载3-4G,航天飞机1.5G),更适合普通未经专业训练人员乘坐,但它气动结构复杂增加了风险系数,并且历经一次发射爆炸事故,一次返回解体事故后当前已经全面退出航天任务。

着陆阶段

因为存在大气层,所以航天器返回时可以使用大气层阻力减速,前文的再入阶段副产品就是减速,而最后速度逐渐降低,航天器出了黑障阶段,那么就需要考虑减速和开主伞(10-20千米高度),为最后着陆做准备。

阿波罗11号返回舱打开降落伞的过程图解

然后抛掉防热大底,在距离地面约1米的高度开启反推火箭,减速到3.5米/秒以下的速度软着陆。

无大气层返回时的过程

其实这不叫无大气层返回,这个只能称为降落,因为到现在为止返回只能在地球上实施,而降落可以扩展到月球和火星,火星有一层薄薄的大气,与地球类似,但它的速度更高(气动阻力作用不明显),而月球可以认为无大气层,只能全程动力减速下降,根据动能守恒定律,我们花多少能量将飞行器从静止加速到这个速度,那么就需要多少能量将它减速到着陆时的零速,唯一的差别时着陆时比发射时有更小的质量,因此回程减速燃料消耗会降低。

请注意这个发动机一直都是开启的,一直到最后阶段关机落月,由缓冲支撑吸收最后的动能。

为什么有大气层时不选择动力下降,而采用大气层减速的方式?

其实这很简单,月球第一宇宙速度只有1.68千米/秒,从月球轨道往下降的时减速的分量也就这个1.68千米/秒,而且月球无大气,只能采用动力减速下降。

而地球第一宇宙速度高达7.9千米/秒(离轨速度约7.5千米/秒),减速发动机需要消耗大量的燃料才能减速到0,不过地球有一个大气层,尽管它会带来超高温,但也是一个减速的好工具,而且耐烧蚀大底的质量与携带的减速燃料相比,那是一笔飞船划算的帐,各种科普资料都告诉大家,每千克质量到近地轨道的成本约1万美元以上,这至少也是数十吨的燃料可省不少钱,马克思说过,只要有50%的利润,就会有人不惜铤而走险,而超过300%的利润,可以践踏人间一切法律,不过摘取到这个利润可不需要杀人放火,而是烧蚀材料的研制,光明正大哦,搞定还有大把科研奖金哦!

神舟十一号飞船返回舱,请注意烧黑的外壳以及已经抛弃的绝热大底。

所以,暂时是人类技术限制,因为火箭发动机还不足以支撑在地球大气层内全程动力下降,也是成本的考虑,但未来技术提升以后,比如大气层内的离子发动机搞定了,估计未来动力减速下降就会普及,毕竟这舒适度极高啊。当然未来的太空电梯实现了的话,就没有这档幺蛾子事件啦。


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