火箭發射衛星的時候穿過大氣層沒有因為摩擦燃燒,而返回時卻因為摩擦燃燒了,為什么?

題目所說返回應該指載人航天器、貨運飛船、返回式衛星、報廢航天器、失控衛星及碎片、火箭殘留物及流星體等的再入大氣層。這有四個原因。

第一,火箭發射衛星時,衛星有整流罩保護,返回時則沒有。

整流罩有特殊的防熱設計(采用高強度、輕質、耐高熱的材料)。整流罩保護著衛星走出濃密大氣層后才拋掉。
而衛星、流星體返回時卻沒有任何防護罩或其它防護措施(返回式衛星和載人航天器除外),直接裸露著和大氣摩擦壓縮,所以溫度上升很高,引起燃燒。

第二,火箭發射衛星是逐漸加速的,開始時相對于地球的速度是靜止的,而返回時速度卻非常高。


發射過程中火箭的動力還要克服地球引力,所以加速相對緩慢,當穿過大氣層(指濃密大氣層)時,衛星的速度通常只有每秒3公里左右,在整個大氣層中的速度相對較低。而衛星、流星體等返回時初速度都不低于每秒7.9公里,在地球引力的作用下,速度越來越大,有些流星進入大氣層落到地面之前,速度大小能達到每秒20――50公里,大于第三宇宙速度。在和大氣強烈作用下溫度變得極高,引起燃燒。

第三,是因為飛行路線的設計不同。這也是因為往返飛行特點和任務要求的不同決定的。

為了盡可能快點離開大氣層,減少和大氣層的作用時間,火箭發射衛星時往往采用垂直發射,

盡可能走最短距離的大氣層。所以溫度相對升的較低。而衛星(特別是載人航天器)返回時速度很高,為了充分利用大氣阻力減速,飛行路線往往選擇沿著地球表面弧形墜落,類似于平拋運動的路徑,路程往往達幾萬公里。大陸探月工程三期再入返回試驗器甚至采用彈跳式兩次再入大氣層方式返回。

這樣可以長時間長距離在大氣層中利用大氣阻力減速,這樣雖然和大氣作用時間長,導致溫度較高,但好處是在降落地面前能把速度有效降下來,可以節省大量燃料,也避免把飛行器摔壞,另外速度降下來,溫度也不會升的過高,所以綜合考量采用這種路線返回較好。總而言之,上升時是為了減少熱量,而下降時主要是為了有效降速,兩者任務要求不同,所以路線設計不同,因而對溫度的影響不同。

第四,因飛行要求的不同設計,造成火箭發射和飛行器返回的空氣動力差異。

講這個原因之前,先科普或厘清一點知識:摩擦生熱的道理并不完全適用于物體在大氣層的下落,也就是說飛行器高速下落時發熱的主要原因不是空氣和飛行器的摩擦產生的,而是飛行器運動方向上迎著空氣的那一面以極高速度壓縮空氣造成的,這個速度能達到60馬赫以上,是飛行器的機械能轉化為被壓縮空氣的內能。


這就象打氣筒的下部發熱是一個道理,是下部腔內的空氣被壓縮而發熱,不是摩擦發熱。下面講一下第四個原因:因飛行要求的不同設計,火箭發射時火箭頂端的整流罩都設計成接近尖形且非常光滑,就是盡量避免壓縮空氣和減少空氣摩察生熱。

而飛行器返回時為了盡快有效減速,充分利用空氣阻力,在進入大氣層時往往用飛行器的大面向前壓縮空氣(和第三個原因中講的讓返回艙盡可能長距離長時間處于大氣層減速方法共同配合。),因而溫度變得十分高。神舟載人飛船返回艙返回時大底面朝前快速劃過大氣層,象一個火球。

實際上據專家說,返回艙大底面燃燒可以起到有效防熱的效果,保護航天員。這是我們科學家故意的設計,表面涂沫一層易燃涂層有意讓它燃燒。所以看起來象個大火球在燃燒。當然流星體和衛星碎片是真燃燒。

以上就是發射不燃燒,而返回燃燒的原因。

10 条回复 A文章作者 M管理員
  1. 落地時的速度那么大,航天員的脊椎會不會受影響?

  2. 太陽系似乎是一個平面,行星,小行星帶都在近乎一個平面上運動。那我們向上或向下發射一個物體,不走這個平面會有什么效果?

  3. 打氣筒生熱,許多人隨口一說:摩擦生熱,我告訴學生,錯,是壓縮空氣做功轉化為熱能。但把這現象遷移到返回艙,我沒聯系起來,考慮不夠周全,觀察不夠細致。作者牛[贊],拜讀了,有收獲。

  4. 載人飛船返回時會旋轉嗎?那么高的轉速,產生多大的離心力啊,航天員為什么沒事呢

  5. 發射時速度不快,而且越往上空氣越稀薄,摩擦產生的熱量并不多,返回時空氣越來越濃密,速度越來越快,摩擦產生的熱量起來越多

  6. 我倒是好奇,為何不用熱氣球將火箭送到大氣層邊緣再發射,那不是省很多燃料成本嗎?

  7. 想起了美帝的載人登月,返回時居然不用考慮這些因素,看看我們,真是“落后”,哈哈

  8. 建設一個真空管道上天就好了

  9. 還有一個因素,大氣密度隨高度增加降低,而上升時速度增加空氣密度降低,而下降過程速度增加,空氣密度增加,所以產生的熱量也不同

  10. 現在是落后于他,不過他們登月返回時也是采用彈跳式月球再入技術,另外他們的航天飛機✈️返回地球時用頭部和腹部對著大氣層返回。航天飛機的腹部和頭部都安裝了隔熱瓦。