天舟五號(hào)發(fā)射升空!飛船返回時(shí)會(huì)劇烈燃燒,發(fā)射時(shí)為什么不會(huì)?
在2022年11月9日天舟四號(hào)貨運(yùn)飛船從中國(guó)空間站組合體撤離了,在這一天,我們還有一個(gè)大動(dòng)作,那就是天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船和長(zhǎng)征七號(hào)遙六運(yùn)載火箭組合體垂直轉(zhuǎn)運(yùn)到了發(fā)射區(qū)。而這些操作也意味著天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船發(fā)射進(jìn)入了倒計(jì)時(shí)。
對(duì)于空間站來(lái)說(shuō),天舟貨運(yùn)飛船以及神舟載人飛船都是非常重要的,神舟載人飛船負(fù)責(zé)把航天員送上空間站并將航天員從空間站接回地面,而天舟貨運(yùn)飛船則負(fù)責(zé)為空間站運(yùn)輸各種物資、推進(jìn)劑。我們的天舟貨運(yùn)飛船運(yùn)輸能力極強(qiáng),單次發(fā)射任務(wù)就可以將多達(dá)6.5噸的物資送去空間站,一次發(fā)射任務(wù)就可以滿足3名航天員在空間站內(nèi)生活、工作6個(gè)月,1年只需發(fā)射2次天舟貨運(yùn)飛船就能維持空間站的正常運(yùn)行了,使用效率非常高。
在2022年11月12日10時(shí)03分,長(zhǎng)征七號(hào)遙六運(yùn)載火箭成功點(diǎn)火,天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船順利發(fā)射升空,從天舟四號(hào)飛船撤離再到天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船發(fā)射,時(shí)間間隔只有2天,這也說(shuō)明了我們空間站的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)都已經(jīng)非常成熟了。
飛船返回時(shí)為何會(huì)燃燒
如果觀看了這些火箭、飛船發(fā)射過(guò)程以及返回地球過(guò)程的視頻,相信大家都會(huì)發(fā)現(xiàn)有一個(gè)很大的不同之處,那就是飛船在發(fā)射升空的時(shí)候并不會(huì)出現(xiàn)劇烈燃燒的情況,但在返回地球時(shí)卻會(huì)劇烈燃燒。同樣是穿過(guò)地球大氣層,為什么會(huì)有這樣的差異呢?
以之前神舟十三號(hào)飛船返回地球的情況為例,當(dāng)飛船返回艙進(jìn)入大氣層降落到地面以后,飛船返回艙的外部看起來(lái)就像是被燒得黑不溜秋那樣,與發(fā)射之前的外觀相差太大了,很明顯就是飛船返回地球過(guò)程中經(jīng)受了高溫的灼燒。
這是因?yàn)轱w船發(fā)射升空的時(shí)候,一開(kāi)始速度為0,隨著火箭點(diǎn)火發(fā)射升空后,飛船、火箭組合體就獲得了一個(gè)加速度。但是由于在發(fā)射初期火箭、飛船組合體的起飛重量非常大,再加上地面附近的空氣密度非常大,所以發(fā)射初期火箭、飛船組合體的加速度并不是很大,加速相當(dāng)困難。
這就是飛船、火箭組合體在大氣層中飛行時(shí)沒(méi)法達(dá)到很快速度的原因。由于飛行速度不是很快,所以飛船、火箭組合體與空氣的相互作用就相對(duì)較弱一些,氣動(dòng)加熱效應(yīng)并不會(huì)很明顯,飛船、火箭外部就沒(méi)有出現(xiàn)劇烈燃燒的現(xiàn)象。
隨著火箭的燃料不斷燃燒,飛船、火箭組合體的重量會(huì)不斷下降,加速度會(huì)越來(lái)越快,速度也會(huì)越來(lái)越快,但是隨著它們不斷上升,空氣密度也會(huì)越來(lái)越低,特別是當(dāng)飛船、火箭組合體穿過(guò)了外太空與地球大氣層的界線的分界線卡門線后,幾乎就沒(méi)有什么空氣阻力了,這時(shí)候氣動(dòng)加熱效應(yīng)幾乎也就可以忽略不計(jì)了,自然也就不會(huì)出現(xiàn)劇烈燃燒的情況。
當(dāng)載人飛船返回地球的時(shí)候,飛船的飛行速度達(dá)到或者接近地球的第一宇宙速度7.9公里每秒,在環(huán)繞地球飛行幾圈后,飛船就會(huì)找準(zhǔn)進(jìn)入大氣層的“入口”、時(shí)機(jī),以幾公里每秒的高速闖入地球大氣層。
在下降的過(guò)程中,飛船受到的空氣密度越來(lái)越大,產(chǎn)生的氣動(dòng)加熱效應(yīng)非常明顯,所以飛船外部的溫度急劇上升到上千攝氏度,從外部看起來(lái)就像是一個(gè)燃燒的火球。女航天員王亞平在接受采訪時(shí)就曾經(jīng)表示飛船再入大氣層時(shí)外部燒得通紅,就像太上老君的煉丹爐那樣。如果是從月球、火星返回地球的飛船,進(jìn)入大氣層時(shí)速度會(huì)更快,表面溫度會(huì)高達(dá)3000℃左右。
這就是飛船返回地球時(shí)會(huì)劇烈燃燒,發(fā)射時(shí)不會(huì)劇烈燃燒的原因,能夠燃燒的主要因素就在于飛船返回時(shí)速度非??欤厍蛴幸粋€(gè)濃密的大氣層。如果飛船是降落到?jīng)]有大氣層的星球,那就不會(huì)出現(xiàn)燃燒的現(xiàn)象,例如飛船、探測(cè)器在登陸月球時(shí)就沒(méi)有燃燒,因?yàn)樵虑驔](méi)有大氣層。
也正是飛船高速進(jìn)入大氣層時(shí)會(huì)劇烈燃燒,所以載人航天的門檻非常高。雖然很多國(guó)家都具備了發(fā)射衛(wèi)星、探測(cè)器的能力,但是很少有國(guó)家具備了載人航天的能力,因?yàn)樗麄兌紱](méi)有能力讓飛船經(jīng)受上千攝氏度高溫的灼燒后將宇航員接回來(lái)。
為了讓執(zhí)行飛行任務(wù)的航天員能夠安全返回地球,載人飛船也是經(jīng)過(guò)特殊處理的,在載人飛船返回艙外部覆蓋著蜂窩狀防熱材料。當(dāng)返回艙以極快的速度進(jìn)入大氣層時(shí),執(zhí)行燒蝕材料、防熱材料就會(huì)帶著大量的熱量,從而保護(hù)了返回艙。雖然返回艙外部的溫度高達(dá)上千攝氏度,內(nèi)部的溫度卻只有30℃左右。