为何飞船穿越大气层，只有返回时才发生燃烧？这是啥原理？

发布者：客至天涯 2023-1-7 23:29

飞船，是人类智慧的结晶，是探索宇宙的工具，是承载梦想的桥梁。自二十世纪70年代，我们成功实现登月载人飞行之后，飞船就成为人类触摸宇宙的“第一手资料”，50年间仅我国就发射了12艘载人飞船，并在飞行过程中将宇航员们完好无损的带回家。

Tips：宇宙Universe，在物理意义上被定义为所有的空间和时间（统称为时空）及其内涵，包括各种形式的所有能量。

但是在探索宇宙的过程中，飞行意外时有发生，其中较常见的是返回时的坠毁。2003年美国“哥伦比亚”号航天飞机，就在返回地球时，在空中爆炸解体了。此外还有许多的卫星和火箭的残骸在返回大气层时，也发生了燃烧解体事件。为什么这些飞船、火箭在发射穿越大气层时没有燃烧，却在返回时燃烧爆炸了呢？二者都有摩擦力，为什么独独在返程时燃烧，这是什么原理呢？

飞船出发时为何没有燃烧

目前世界各国的载人飞船都是有火箭运载发射，比如我们的神舟12号载人飞船就是通过长征2号F遥十二运载火箭。因此我们讲飞船出发就是讲的火箭出发。那么要搞懂这个问题，就要知道火箭发射的原理。

Tips：火箭自身携带全部推进剂，不依赖外界工质产生推力，可以在稠密大气层内，也可以在稠密大气层外飞行，是实现航天飞行的运载工具。

火箭起源于我国宋代，早期是放烟花的娱乐工具，到明代成为武器，到清朝被摒弃。现代火箭来源于，苏联数学老师康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基，他在著作中详细描述了用火箭探索宇宙的可能性，并提出可以用液氧和液氢作为火箭的推进剂，还研究出了齐奥尔科夫斯基火箭推进公式，是火箭研究事业的领航人。二战时期是火箭事业的野蛮生长期，这一阶段火箭的设计得到了完善，并为宇宙探索打下基础。冷战时期的太空竞赛，是火箭的大发展阶段，这一时期火箭开始承担航天运输任务。

Tips：康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基，1857年9月17日—1935年9月19日，现代宇宙航行学的奠基人，被称为航天之父。

火箭，简单说就是一种推进器，利用燃烧推进剂产生的巨大推力升空。因为地球上存在万有引力，不论扔什么东西上去，都会在引力的作用下垂直下落。而要摆脱引力飞出地球，就需要足够大的速度。火箭想要摆脱引力升空，它的速度必须要超过第一宇宙速度（7.9km/s），因此就要求火箭的燃料能产生足够强大的推动力。

Tips：引力Gravitation，即任意两个物体或两个粒子间的与其质量乘积相关的吸引力，自然界中最普遍的力，简称引力。

当火箭点燃发射升空之后，因为有引力的束缚因此速度较慢，因此即使与空气发生摩擦也不会发生燃烧。之后速度慢慢加快，但是因为火箭是垂直发射，穿过大气层的时间较快并且大气的温度较低，所以即使速度快，也能在燃烧之前就冲出大气层进入宇宙，而宇宙是真空环境，故而不存在摩擦反应，就不会燃烧。同时，火箭还有整流罩的保护，整流罩就是火箭头部的钢铁外衣，耐高温性极强。因此火箭在起飞穿越大气层时，才没有发生燃烧爆炸事件。那么为什么返回时火箭又发生了燃烧呢？

返回时燃烧的原因

与出发时相比，回来的飞船是“轻装上阵”，虽然没有那么重了，但是“上山容易，下山难”，飞船的返回过程可比发射复杂得多。首先它们要以宇宙第一速度的速度进入大气层，之后利用缓冲火箭和面积大约在一千多的巨大降落伞减速，最后飞船的返回舱以大约3.5米/秒的速度着陆。

Tips：降落伞是利用空气阻力原理，依靠相对于空气运动充气展开的可展式气动力减速器。现代的降落伞是人或物从空中安全降落到地面的一种航空工具。

但是在刚刚进入大气层的时候，返回舱的速度非常快大约能达到11公里/秒，因此其外壳会与大气层发生激烈的摩擦，产生大量的热量，这个过程叫做“气动加热”。在离地面80到40公里的稠密大气层时，气动加热过程达到最高点，返回仓表面温度达到1000到3000度，整个返回舱看起来就像一颗着火的流星。因此超高的速度是燃烧的原因之一。

没有整流罩的保护。在飞船随火箭飞出大气层时，即使最后的速度比较快也因为有整流罩的保护而顺利通过。但是当火箭飞出大气层后，这件钢铁保护服就完成使命，分成两半脱离飞船了。因此在回城时，失去整流罩的返回舱只能依靠自身外层的防火涂层来防火，而卫星之类的天体返回时却什么保护都没有，因此在进入大气层后，发生剧烈的摩擦，导致变成“火流星”。

Tips：整流罩用于保护卫星及其它有效载荷，以防止卫星受气动力、气动加热及声振等有害环境的影响，是运载火箭的重要组成部分。

飞行路径。因为返回舱进入大气层的速度在引力的作用下一直在增加，如果不减速的话返回舱就会像一颗陨石一样撞向地球。因此为了减速返回舱的路径就要发生变化，以一个弧形或者阶梯型的路径飞行，这样在大气层中逗留的时间更长，可以利用大气层的摩擦力减缓飞船的速度。但是在大气层中逗留的时间更长摩擦更强烈，就更容易发生燃烧事件。反之，火箭发射时，为了快速飞出大气层，使用的是垂直发射，速度即低又与大气接触时间短，因此没有燃烧的隐患。

Tips：大气层又称大气圈，是因重力关系而围绕着地球的一层混合气体，是地球最外部的气体圈层，包围着海洋和陆地，大气圈没有确切的上界。

环境不同。发射时因为地球的引力束缚，飞船的速度只能一点点地加快，因为穿过大气层的速度差不多在第一宇宙速度附近。而返回时初始速度较好，然后在宇宙中真空环境下速度一直增加，进入大气层后压缩空气并与之发生剧烈摩擦。因此出现燃烧。

Tips：第一宇宙速度的是7.9km/s，它是指让航天器可以环绕地球所需要的最小发射速度，此概念由牛顿提出。

以上就是，飞船为什么会在返回时发生燃烧坠毁事件的原因。但是现实中这样的意外事故是极为罕见的，因为我们的返回舱都是利用隔热材料制作。因此，返回舱足够安全，不必担忧宇航员的安危。那么这些“避火衣”是如何防火的呢？

飞船的“避火衣”

由于返回舱里搭乘着宇航员，为了保证他们的生命安全，所以航天设计师们为它精心设计了一件“避火衣”，由瞬时高分子耐高温材料制成的低导热复合材料。当飞船经过大气层时，这件神奇的避火衣遇见高温就会主动燃烧，利用有机物的燃烧带走大量热量，同时还形成一层碳化薄膜紧紧粘在返回舱表面，具有良好的隔热性能，防止高温侵入舱内。