Question

同是穿过大气层，飞船发射时不会燃烧，为何返回时会猛烈燃烧？

Answer 1

有关于神舟十三号飞船上三名宇航员的日常生活纪录片深受大家的喜爱。

从最初的神州五号到如今的神舟十三号， 我国的航天工程走过了漫长而又艰难的岁月。 每当人们从电视上看到火箭发射的场景时就很激动， 搭乘着载人飞船的火箭升空，标志着我们与宇宙 探索 的更进一步。

值得一提的是， 现在不仅可以观看发射过程，连飞船返航过程都有专题视频 。视频中飞船返航时进入大气之后像是变成了一个 燃烧的火球 ，使得大家不禁为航天英雄们担忧，害怕会发生什么意外。对此许多人表示疑惑， 为什么同样都要穿过地球的大气层，飞船发射时不会燃烧，返回时却会猛烈燃烧呢？

诚然，虽然绝大多数人都在电视上观看过载人飞船发射升空和返航的视频，但是应该尚未 深入了解飞船发射与返航的步骤 。接下来，我们就来一起看看飞船究竟是如何“冲出地球”，又是如何返回家乡的。

首先， 飞船在发射前就需要做许多准备 。我们知道一般是用运载火箭将其送入轨道， 所以开始前检查火箭的燃料加注以及启动火箭自检程序就显得尤为重要 。

以 苏联的H-1运载火箭 为例，几次发射之后都在空中爆炸解体，虽然设计问题是主要原因，但是与火箭发射前的检查工作也是密切相关的。

火箭点火成功之后最初是垂直上升的，这个时间大概只有10秒左右 。这之后火箭就会开始“程序转弯”，这样是为了将载人飞船安全送入既定轨道。大概两分钟以后火箭助推器就会分离，从最初我们看到的长度缩短一大截。等到达大气层边缘时，整流罩也会自行分离。 以神舟七号为例，成功点火583秒时，飞船和火箭彻底分离，根据观测这时的飞行高度大约是200公里。

简单来说， 飞船发射大致要经历三个过程。第一是垂直上升，这一阶段是在积累初始速度。第二则是程序转向，此举除了协助运载火箭完成轨道偏转之外，还旨在降低大气阻力。第三是入轨机动，依靠轨道最高点附近的平行方向点火来实现。

返航的过程则要更加复杂一些，毕竟再入大气层是一件很危险的事情。 以神舟十二号为例，它与空间站分离之后，还需要绕行很多圈来调整降落的高度和角度 。调整完毕之后轨道舱才会与返回舱分离，这时返回舱正式进入减速变轨，以7.9公里/秒的速度下降。

待到降落高度至80到100公里之后，飞船会进入大气层，这时的飞船就会变成我们看到的那一团火球 。不仅如此， 因为黑障效应，飞船还会和地面指挥短暂失联，大概到40公里的位置才能再次建立连接。 经过减速之后，飞船的速度逐渐降为 200米/秒 ，最终在距离地面 10公里的位置时弹出降落伞 。这就是大家看到的最后返航场景，降落伞底部拖着一个“黑乎乎”的铁块，做着落体运动。

通过以上我们知道了飞船发射和返航的详细步骤，相信大家已经发现了为什么飞船在发射时不会燃烧，返回时却会剧烈燃烧。 主要有以下两个原因，分别是速度和大气的差异 。

首先， 我们一起来看看速度有何不同。 人类仅用肉眼去观察肯定察觉不到发射和返航的速度有什么差异，但是 根据计算就能发现，发射时抵达大气上层边缘时，才开始缓慢加速。 像我们前文提到的助推器分离阶段， 其速度大约只有2公里/秒。 因此其实飞船飞入地球时的速度远小于返回时的速度， 速度的差异是造成二者燃烧状况不同的主要原因。

飞船的时速越快与大气之间的摩擦力就越强。 而摩擦力正是飞船外部燃烧的原因，巨大的摩擦力使得飞船表面迅速升温，其温度甚至可以高达 2000 。飞船返回时受到的摩擦力比发射时受到的摩擦力小，所以升空时飞船表面的温度并不会特别高，就更不可能出现燃烧现象了 。

其次，就是大气层的原因。 大气层是越向上越稀薄的，越靠近地表越稠密，其阻力不言而喻。 大气圈最底层也叫摩擦层，在这个范围内物体的运动会明显受到地表摩擦力的作用。

飞船发射是从大气稠密部分到大气稀薄部分，并且在稠密部分时飞船的整体速度并不快，再者有程序转向这种减轻阻力的步骤，使得产生的摩擦力很小。

但是飞船返回就不一样了，它是从宇宙的真空环境重新进入地球，并且速度大概是7.9公里/秒的。 大家可能对这一数值没有概念，举个例子如果我们从北京坐高铁去天津，需要花费30分钟，而假如乘坐这样速度的飞船的话，仅仅需要15秒就可以到达了。 再者从大气的分布来看，越向下越稠密，这时高速下落的飞船必然会和稠密的大气疯狂摩擦，最终致使表面温度骤然升高，产生燃烧现象。

由此可见， 燃烧情况不同本质就是因为“摩擦力的大小不同” 。 摩擦力一方面受到速度的影响，另一方面则受到大气密度的影响。 可以说飞船发射时和返回时面对的境况完全相反，所以燃烧情况不一样也很正常。

值得一提的是， 虽然大气的摩擦阻力看起来很“讨厌”，但是我们现在的飞船降落都需要依靠大气来尽力减缓自己的速度。 像嫦娥五号返回舱重回地球时，甚至为了降低速度，曾经两次进入大气层，最终带着月壤成功返航。

至此，我们对飞船发射和返回时燃烧情况为什么会不同有了一定的认识。 其实这种燃烧现象，是航天工程当中一直在进行攻克的一大难题。科学家们称这种现象为“热障效应”， 具体来说就是飞船在稠密大气当中进行超音速飞行时，激波和本体之间的高温压缩气体会加热。而机体和空气又会强烈摩擦，再度将机体表面的热度提高，使其 超过表面金属材料的极限温度，产生了燃烧、高温的现象 。

因此， 想要保障飞船内宇航员的生命安全，就需要在飞船外部套上“金钟罩”，这种金钟罩其实就是由热防护材料做成的，对飞船内部形成保护。 经过科学家仔细研究，发现使用 “烧蚀防热” 是最好的方法。

我国神舟飞船所使用的烧蚀材料能够承受2000 的高温，其表面看起来像是蜜蜂的蜂巢一样，其名字也叫“蜂窝增强低密度材料”。

这种材料在 飞船再入的530秒当中能够将飞船内的温度保持在30 左右，具体原理就是它能“吸热” ，并且这种材料的吸热效果非常好，用它来做热防护可谓再合适不过了。

并且，这种烧蚀材料是一次性的，毕竟在飞船再入大气的时候它已经燃烧得差不多了，所以很难被二次利用。再者这种材料的价格也很昂贵， 每公斤的价格就要8000元人民币。 大家可以想象一下，涂满飞船的返回舱，需要耗费多少， 因此航天工程的“烧钱程度”确实很恐怖。

航天院的工程师在介绍上文所说的烧蚀材料时表示， 他们研制这一材料整整耗费了15年的时间，就是为了最后回来的这530秒，前后仅是记录档案都有满满的十几盒，每盒的文稿不少于十册。

不少人表示疑惑，热防护真的有这么重要吗？假如热防护没做好会有什么后果？ 美国的哥伦比亚航天飞机爆炸就揭示了烧蚀材料以及热防护的重要性。

这一事件发生于 2003年的2月1日，根据相关报道显示：当天的8点44分时，重达100吨的哥伦比亚航天飞机正在穿过大气，时速大约是28000公里。 这时大气与机体之间的摩擦，使得 表面快速升温至1400 。一分钟以后，当人们从地面可以观测到哥伦比亚号时，发现有碎片掉落。 又过了约4分钟之后，飞船与地面失联。

调查报告显示， 哥伦比亚号在高度60公里的位置开始解体 。它的解体爆炸， 使得飞船内的7名宇航员全部丧生。

随后，工程师经过一系列的调查之后发现， 发射时一块泡棉脱落，撞击到了飞船左翼，砸出了一个约25厘米的洞。 机翼本身是由隔热片覆盖着的，这个洞意味着有一处隔热片损坏了。因此， 飞船再入大气时，高温气体就顺着这个洞进入了机身内部，最终导致飞船爆炸解体。 可见，那个泡棉是主要原因， 隔热板的“脆弱性”也是推手。 所以，热防护对于保障宇航员的生命安全是非常重要的，容不得一点马虎。

这一事故使得大家开始关注新型隔热材料，毕竟 哥伦比亚号上的隔热瓦本身是一种十分脆弱的陶瓷材料。 虽然对高温耐受能力极强，但是这样一碰就碎的情况使得它为飞行、返航增加许多不确定因素。 如何保障飞船在返航时的安全性，是科学界一直在 探索 和实验的事情。

民间有句古话是“上山容易下山难”， 航天工程也有这个问题，姑且可以理解为“上天容易下地难”。 为什么这么说呢？前文中所说的热障就已经很危险了，但飞船返回过程中还会遭遇其他现象， 其中有一种现象被称为“黑障” 。

黑障 指的是， 飞行器周围形成的高密度等离子体鞘层造成的与地面失联的现象。 这种鞘层会反射或者吸收电磁波， 使得信号彻底中断，从而影响地面指挥部对返回舱的追踪定位。

一旦发生什么意外，飞船内的宇航员算得上是“叫天天不应叫地地不灵”了。 并且在高速下落的影响下，宇航员会出现头晕甚至晕厥的现象，如果发生意外想要依靠宇航员操作来控制返回舱是很难的事情。

在地球上最浪漫的事情，就是和爱的人一起看一场流星雨。 其实部分耀眼的流星就是没有穿“隔热防护衣”进入大气的小飞船。 它们能发出这样耀眼的光， 实际上就是与大气摩擦燃烧自己的结果。 初进入大气的流星其实体积质量还是很大的，不过后续的摩擦燃烧明显是起到了“减肥”效果。