Question

都是穿过大气层，为什么飞船返回时会有高温，而升空时却没有呢？

Answer 1

人类在 探索 太空的过程中发生过不少的事故，甚至还有宇航员因此而失去了宝贵的生命，例如在2003年2月1日，“哥伦比亚”号航天飞机在返回大气层时发生了解体，导致7位宇航员无一生还。

事故发生后，人们很快就找到了原因，那就是位于“哥伦比亚”号左侧机翼前缘的隔热瓦出现了一处破损，从而造成大量的高温空气从此处涌入航天飞机。调查结果显示，在“哥伦比亚”号升空82秒时，有三块外部隔热泡沫从航天飞机上脱落，其中的一块造成了此处破损。

也就是说，“哥伦比亚”号是带着一个“破洞”升空的，期间并没有经历过高温，直到其返回时才发生事故。那么问题就来了，都是穿过大气层，为什么飞船返回时会有高温，而升空时却没有呢？下面我们就来讲一讲。

我们都知道，飞船至少要达到第一宇宙速度，才能够在没有额外动力的情况下长时间地在太空中滞留。显而易见的是，在飞船返回大气层的时候，也会具备大致相同的速度，因为第一宇宙速度高达7.9公里/秒，根本就不适合在地面上安全地降落，所以飞船在降落到地面之前必须要减速。

就目前来看，我们只能利用地球的大气层的阻力来完成减速，这其实是一种有着较高风险的做法，因为当飞船以很高的速度穿过大气层的时候，就会发生强烈的气动加热现象，从而导致高温的产生。

需要指出的是，有不少人都认为这种高温是因为飞船与地球大气层中的空气摩擦产生的，但实际上却并不是这样的。虽然高速的气流会与飞船表面发生强烈的摩擦而产生热能，但是这只占飞船返回大气层时产生的热能的一小部分，而大部分的热能则是飞船迎风面的空气因为受到剧烈地压缩而产生的。

由此可见，飞船返回时的高温，是其自身在高速穿过大气层时发生的气动加热现象造成的，但为什么飞船在返回大气层时会有高温，而升空时却没有呢？我们接着讲。

虽然地球号称有着厚度有1000公里以上的大气层，但是大气层里的空气却分布得非常不均匀，测量数据显示，地球大气层大约75%的大气质量和90%以上的水蒸气质量，都集中在离地球表面最近的对流层里，而对流层的平均厚度仅有12公里左右。

随着高度的增加，大气层的密度会出现指数级地下降，当高度达到距离地球表100公里以上时，空气的密度就已经降至只有海平面的大约220万分之1了。

飞船发射升空的时候，其速度不是瞬间就提升至宇宙第一速度，而是要经历一个持续的加速过程。也就是说，飞船在升空时其实是以一个缓慢的速度穿过地球大气层空气最稠密的区域，而当飞船达到较高速度的时候，它早已经到达空气极为稀薄的区域。

我们可以看到，在飞船升空的过程中，要么就是速度很慢，要么就是空气很稀薄，在这两种情况下产生的气动加热现象都很不明显，所以就全程都没有高温了。

看到这里，可能有人会问了，既然如此，如果我们让飞船在返回大气层时也缓慢地穿过空气稠密的区域，是不是就可以避免高温给飞船带来的风险了？答案当然是肯定的，但遗憾的是，以我们现有的 科技 却很难做到，为什么这么说呢？

理论上来讲，我们可以通过降落伞来达到这个目的，但问题是飞船返回时的速度那么快，以至于在降落伞打开的一瞬间，就会受到极强的空气阻力，与此同时，降落伞还会因为强烈的气动加热现象而遭到高温的炙烤，这种“双重打击”是我们现有的任何降落伞都无法承受的。

除此之外，理论上我们还可以利用反推火箭来使飞船缓慢地降落，但反推火箭是需要燃料的，如果真要这么做，我们就必须在飞船升空时额外携带大量的燃料，而燃料本身也是有重量的，这就需要我们用非常多的燃料来将这些用于返回的燃料送上太空，而以我们现在的运载能力，这是很不现实的。