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為什么火箭上了天空還能返回自己的國家
發(fā)布時間：2025-05-15 07:31:30
飛船返回地面要經(jīng)歷一系列復雜的過程，需要應對與大氣高速摩擦產(chǎn)生的高溫和振動等一系列問題。
“神舟”飛船在軌道上運行的速度高達7.9千米/秒，要想進入大氣層，首先要做的就是制動：制動發(fā)動機開始工作，使飛船的軌道高度不斷降低，降低到一定高度后，飛船調(diào)姿，進入返回姿態(tài)，然后返回艙與軌道艙、推進艙分離，開始進入大氣層。
飛船的減速過程和進入大氣層的軌道是經(jīng)過精確計算的，要求非常精確，必須在特定高度以合適的“再入角”進入大氣層。
如果再入角過陡，會導致返回艙進入大氣層的速度過快，發(fā)生劇烈摩擦而燒毀；如果再入角過于平緩，又會像打水漂的瓦片一樣被大氣層“彈”回外層空間，很可能再也無法返回地面。
1965年，首次實現(xiàn)太空行走的蘇聯(lián)航天員列昂諾夫在返航時，就險些錯過最佳再入角，幸好及時調(diào)整到位，避免了危險。
你一定看到過閃光的流星劃過夜空吧！流星之所以閃光，是因為它以很大的角度高速飛入大氣層時，和空氣摩擦生熱而燃燒起來。
同樣的道理，當飛船進入大氣層時，其速度仍達幾千米每秒。
與越來越稠密的大氣層摩擦，會使得飛船外殼的溫度達到1000℃以上，普通材料難以承受這樣的高溫。
為了解決這個問題，載人飛船的設計師采取了一系列措施。
1920年，航天先驅(qū)戈達德就提出了雙層隔熱板的概念。
他認為“返回物的表面覆蓋一層抗高溫(不易變質(zhì)及難熔化)的物質(zhì)后蓋上一層不太導熱的耐高溫物質(zhì)，這樣返回物的表面就不會受到太多的侵蝕”。
比如，航天飛機機身各處就根據(jù)所處環(huán)境的不同，配置了4種防熱瓦，保護機身溫度不致太高。
“神舟”系列飛船和俄羅斯的“聯(lián)盟”系列飛船都是一次性飛船，它們采用的是在返回艙的表面涂上特殊燒蝕材料做成防熱層的方法。
防熱層用的是高分子材料，能在短時間內(nèi)耐高溫。
“神舟”飛船采用的是石棉、玻璃與酚醛摻和形成的復合材料，其返回艙表面積有22.4平方米，防熱材料總質(zhì)量約500千克。
飛船進入大氣層時，防熱層表面部分在熱流作用下會發(fā)生分解、熔化、蒸發(fā)、升華等物理和化學變化，帶走大量的熱，以減少傳入飛行器內(nèi)部的熱流。
多種防熱層可以使返回艙內(nèi)部最高溫度不超過30℃，從而保證航天員平安穿過大氣層。
控制著陸速度是載人飛船安全回家面對的又一難題。
一些科幻電影里隕石撞擊地球的場面大家都看過，隕石以極快的速度撞擊到地球表面，往往會砸出特別深的一個坑。飛船到了距離地面10千米左右高空時，速度雖然已經(jīng)降到330米/秒以下，但以這樣的速度與地面撞擊，飛船和航天員還是承受不了的。
怎么辦呢你一定想到了：采用降落傘。
“神舟”飛船是“打著3把傘”回家的，它們分別是引導傘、減速傘和主傘。
為什么要設計這么多的傘而不是只有一個主傘呢了避免“剎車”太急，速度降得太快，產(chǎn)生過高的過載，航天員受不了。
返回艙上的靜壓高度控制器會通過測量大氣壓力判斷高度，自動彈開傘艙蓋，3把傘漸次打開，將飛船的速度逐步降下來。
“神舟”飛船返回艙的主傘面積有1200平方米，打開后返回艙的降落速度會降到8～10米/秒。
即使這樣，“神舟”飛船返回艙在著地時，所產(chǎn)生的沖擊力還可能使航天員的脊柱受損。
這時就要靠飛船的另一個法寶了。它就是安裝在返回艙底部的4臺著陸反推火箭。
它們會在飛船馬上要降落到地面時點火工作，再給返回艙一些向上的推力，使得返回艙落地的速度不超過2米/秒。
為了確保航天員的安全，航天員座椅安裝了緩沖裝置，還量身定做了緩沖坐墊。
有了上述“十八般武藝”，就可以保證返回艙和航天員一起順利從太空安全返回地球了。
航天器在軌道上的運動是在有心力場作用下基本上按天體力學規(guī)律的運動。
改變運動速度可使航天器脫離原來的運行軌道轉入另一條軌道。若速度的變化使航天器轉入一條飛向地球并能進入大氣層的軌道，便有可能實現(xiàn)返回。航天器是應用變軌原理邁出返航第一步的。
航天器返回時重新進入地球大氣層，稱為再入。能夠耐受再入飛行環(huán)境的航天器又稱為再入航天器。再入航天器和再入彈頭統(tǒng)稱再入體。
通常取80～120公里為開始再入的高度。航天器在這一高度上的速度叫再入速度。
速度方向與當?shù)厮椒较虻膴A角叫再入角。
航天器從環(huán)地軌道返回的再入速度在8公里/秒左右（視軌道高度而定）,從月球返回的再入速度接近11公里/秒，從行星返回的再入速度為13～21公里/秒（視具體行星而定）。
再入航天器進入大氣層后受到空氣阻力 (D)的作用，其方向與速度方向相反，大小與大氣密度 (ρ)、飛行速度(V)的平方以及表示再入體形狀特征的阻力面積(CDA)成正比, 。
地球大氣雖然稀?。ㄓ绕涫歉邔哟髿猓?，但如果再入體有較大的阻力面積，氣動阻力所產(chǎn)生的減速仍足以將其速度大大減小。
至今再入航天器都是利用地球大氣層這一天然條件，應用氣動減速原理實現(xiàn)地面安全著陸的。
大氣減速會使再入航天器內(nèi)人員和設備受到制動過載的作用。
保證制動過載不超過人體或設備所能耐受的限度，也是實現(xiàn)返回的必要條件。
大氣減速還使再入航天器受到加熱。
當再入航天器以極高的速度穿過大氣層時，由于對前方空氣的猛烈壓縮和與之摩擦，航天器的速度急劇減小，它的一部分動能轉變?yōu)橹車諝獾臒崮堋?/p>
這種熱能又以對流傳熱和激波輻射傳熱兩種形式部分地傳給航天器本身,使航天器表面溫度急劇升高,形成氣動加熱。
從月球或行星返回的航天器具有更大的能量，氣動加熱就更為嚴重。
保持航天器一定的結構外形和防止乘員座艙過熱是實現(xiàn)返回的一個重要的技術關鍵。
