Question

宇宙飞船返回时，为什么要冒着烧毁的风险加速穿过大气层？

Answer 1

​当载人宇宙飞船或者运送货物的宇宙飞船完成太空任务之后，接下来将要面临十分危险的再入大气层过程。飞船在穿过稠密的地球大气层时，将会产生上千度的高温，威胁飞船的安全。

那么，为什么宇宙飞船要冒着烧毁的风险加速穿过地球大气层？为什么宇宙飞船不在太空中直接打开降落伞，然后慢慢降落回地球呢？

宇宙飞船在太空中以很快的速度绕着地球旋转，例如，载人飞船一般在距离地表400公里的轨道上环绕地球运动，其轨道速度为7.7公里/秒。想要把这么快的速度降为零，绝非易事。

当飞船要返回地球时，制动火箭将会启动，对飞船进行减速，降低飞行高度，使其脱离原先的轨道，进入一个与地球表面相交的轨道，这样飞船就能踏上返回地球的旅途。

不过，飞船并不是竖直落向地球，如果是这样，在地球引力的作用下，加上飞船本身原有的速度，飞船将会以极高的速度冲进地球大气层。速度过快，气动热效应过强，巨大的热量会烧毁飞船。

另一方面，飞船进入地球的角度也不能太小。否则飞船在飞向浓密的地球大气层时，会被反弹回太空中，无法正常受控返回地球。

不过，控制好角度，飞船能以跳跃式再入大气层。飞船冲入大气层后，被弹回太空中，充分减速后，然后再进入大气层。通过这样的方式，可以让速度达到第二宇宙速度（11.2公里/秒）的飞船返回地球。

目前，我国的新一代载人飞船试验船已经成功通过跳跃式再入大气层。未来，载人登月飞船可以通过这种方式返回地球。

一般而言，飞船会以大约3度的再入角进入大气层。只有以合适的角度再入大气层，飞船既不会烧毁，也不会弹出太空，可以利用大气层进行充分减速。

由于飞船并不是静止从太空中落回地球，在太空中打开降落伞是没有意义的。首先，太空几乎是真空的，降落伞打不开，根本起不到减速作用。其次，飞船以极高的速度返回进入大气层，与空气的相互作用将会产生巨大的热量，降落伞会被烧毁。

飞船以极高的速度再入大气层，将需要面对高温挑战。当飞船在大气层中高速飞行时，飞船前端会强烈压缩空气形成激波，由此产生巨大的热量。为了应对上千度的高温，飞船外层包裹着隔热材料，或者能够剥离带走热量的烧蚀材料。

高温还会让飞船周围的空气发生电离，形成等离子体。这会阻断飞船与地面控制中心的通信，飞船进入“黑障区”，这是返回时最为危险的阶段。

2003年，美国宇航局（NASA）的哥伦比亚号航天飞机在再入大气层期间，由于过热而导致解体，这个隐患是在发射时埋下的。在哥伦比亚号发射升空时，一块公文包大小的泡沫从外挂燃料箱上脱落，撞上航天飞机的左侧机翼，砸出了一个25厘米宽的破洞。当航天飞机再入大气层时，巨大的热量涌入破洞，最终引发解体。

那么，为什么航天飞机在飞上太空时没有解体？或者说为什么飞船在升空时不会产生高温？

飞船在升空时，由于巨大的重力和空气阻力，加速十分困难，飞船的速度并没有被加速到很快的速度。在冲出浓厚的大气层时，飞船的速度也只有大约1公里/秒，这样的速度不会产生巨大的热量。因此，升空时的气动热效应不会产生什么威胁。

穿过黑障区之后，飞船的速度已经大幅度降低。随着高度的下降，空气密度也变得越来越高。待到合适的速度，飞船的降落伞才会打开，这样才能给飞船起到减速作用。一些飞船在着陆之前还会启动反推火箭，使飞船最终能够安全着陆。