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当宇宙飞船返回地球时,为什么要不惜燃烧代价,高速穿过大气层?

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宇航员返回地球最危险的时候就是穿越黑障区,又称黑色障碍区。

当返回舱进入黑障区后,舱内的宇航员会与指挥室失去联系,没人知道这段时间发生了什么。

与此同时,返回舱外表在高速摩擦中被烧得通红。

宇航员需要在这样的危险中坚持4分钟。

也许我们在地面不会觉得4分钟漫长,但是对于宇航员来说,这4分钟是无比漫长的。

飞船返回着陆


既然穿越黑障区如此危险,为什么返回舱不做出调整?这样就不用承受这么多痛苦。

为什么不反向加速?

为什么不提前打开降落伞?

黑障区还有哪些危险?

未来能否有更好的返回方法?

当宇宙飞船返回地球时,为何要不惜燃烧的代价来高速穿过大气层?

穿越黑障区


为什么不反向加速?

黑障区指的是距离地面35到80千米的大气层,这里的气体因为高温摩擦、太阳辐射发生了电离。

所以在降落穿越的时候,这些离子会包裹住整个返回舱,影响返回舱与指挥室的通讯,让双方都失去信号。

返回舱进入大气层的速度有多快?

差不多是每秒7.9千米,因为在返回之前,需要围绕地球运动。

等行驶到返回位置后,开启发动机,调整返回舱的飞行轨迹,当返回舱与地球表面的夹角为3度时,返回地球。

返回舱表面的烧痕


由于降落的速度过大,返回舱与气体离子产生剧烈的摩擦,从而让返回舱表面温度达到惊人的2000度。

当年哥伦比亚号航天飞机就是因为表面有一条不起眼的裂缝,结果在返回的过程中穿越黑障区,导致裂缝被撕裂,最后整个航天飞机都解体了。

不少人有疑惑,为什么不能提前减速,让返回舱不要以这么大的速度进入大气?

比如,是否可以反方向加速,这样就可以缓慢穿越黑障区,返回舱也不会被烧得黢黑。

进入大气开始燃烧


理论上是可以的,然而实际执行起来,难度太大!

返回初速度实在是太大了,如果要削弱速度,必须反向点火。

可是,地球大气最外层非常稀薄,差不多属于真空状态,如果反向点火,会让返回舱突然又返回到太空中,回了个寂寞。

再说了,这种消耗自身能量的减速方式,得燃烧大量的燃料,返回舱本身的承载量就不大,无法携带大量的燃料。

如果真要采取这种模式回来,那么花费也将变得巨大,起码飞船就必须携带更多的燃料。

既然反向加速不行,那提前打开降落伞呢?

返回舱着陆


为什么不能提前打开降落伞?

返回舱的降落伞可不是说打开就打开的,而且它不止一个降落伞。

一般来说,飞船返回地面的时候,需要三个降落伞,按照打开顺序为引导伞、减速伞和主伞。

在距离地面大约10公里的时候,就可以打开伞了。

引导伞出场的时间很短,也就1秒钟,它的本质像一根引线,起到拉开整个伞包的作用。

引导伞非常小,几乎起不到减速的作用,真正减速的是后两个伞。

引导伞正常工作后,第二个减速伞也迅速打开,它的作用就是进行减速和摆正返回舱的位置。

巨大的降落伞


越靠近地面,大气密度就越大,由于摩擦等原因,返回舱不一定是正着落下来的。

减速伞让返回舱来个突然“刹车”,减速的同时摆正姿势。

最后打开的伞是主伞,也就是我们看见神州飞船回来打开的上面有圆环的大降落伞。

它有多大,伞的总面积足足有1200平方米,和它比起来,返回舱都显得袖珍。

当返回舱接触到地面的一瞬间,降落伞与返回舱的连接处自动切断,两者再也没有连接,就算风将降落伞卷走,也不会影响到返回舱。

返回舱的外表结构


这么做的原因,是为了减少后续的伤害。

因为大伞的面积非常大,如果它还和返回舱相连,一旦遇上强风,吹动大伞后,它会拉着返回舱到处跑,导致返回舱在地面上滚动,里面的宇航员很有可能受伤。

至于为什么不提前打开降落伞,那当然是降落伞需要空气!

大气层上表面空气稀薄,打开了降落伞也没办法撑开。

而且当进入大气时的速度太快,如果打开降落伞,它也去参与摩擦,直接就被烧没了。

降落伞的圈圈是为了更容易被发现


为什么不惜一切代价穿越大气层?

返回舱以飞蛾扑火的态度穿越大气层的黑障区,不惜一切代价,哪怕外壳都已经燃烧起来。

因为这是可以想到的,最便宜的返回方式。

前面提到的反向加速需要额外燃烧能量,提前打开降落伞则需要提高降落伞的质量,制作出耐高温的降落伞材料。

这样算下来,价格会是自由落体返回的数倍。

太空中的卫星


这种利用地球自身的引力返回的方式,整个过程中基本不用额外的能量,利用引力和空气阻力完成。

通过黑障区的主要危险就是高温和失去联系,失去联系这件事目前还无法克服,但是高温可以通过提高返回舱的材料质量来完成,这比研制高温降落伞更容易。

既然都是穿越大气层,为什么飞船上天的时候不会燃烧,但是回来的时候被烧得发红发烫呢?

返回舱被烧掉的一部分


飞船如果想要离开地球进入太空的轨道,就必须以不小于7.9千米/秒的速度进入太空。

对于地球上发射的火箭来说,它需要加速升空。关于太空与大气的分界线,被称为冯·卡门线,距离地面100千米。

而黑障区的范围是距离地面35到80千米,火箭在这个区域的速度只有每秒4到5千米,这个速度的摩擦,还不足以将外表材料燃烧起来。

火箭升空


并且飞船升空,越往上走大气密度越小,那么摩擦也就越小;而返回舱降落,越往下空气密度也在增大,摩擦会越来越大。

因此,飞船上升的时候,表面并不会被烧得通红,但是在降落穿越大气层的那时候,会被烧成“火球”。

其实从上个世纪60年代开始,人们就在寻找消除黑障区的方法,然而半个多世纪过去了,还是没能解决,因为黑障区的气体是人类无法控制的。

航天飞机升空


宇航员会经历什么?

如果坐过跳楼机,就会感受到什么叫坠落,对于宇航员来说,返回的过程中就是长时间的“跳楼”。

当然,对于训练有素的宇航员来说,他们的身体素质是完全可以承受的。

如果仔细注意就会发现,我们的神舟系列宇航员在空间站执行任务的时候穿的是制服,但是返回过程中全程穿着宇航服。

这其实是为了保护宇航员,因为宇航服可以阻绝一定的高温。

如果返回舱不幸出现了裂纹,导致舱内温度升高,那么宇航服能保护宇航员不至于被高温直接烤化了。

宇航员身着宇航服返回


若是出现哥伦比亚号航天飞机的情况,哪怕宇航员穿着宇航服,也无法幸免,宇航员是高危的职业。

此外,飞船降落并不是完全降落在地面,有的情况下会降落在水里。

返回舱是水陆两用的,可以漂浮在水面上。它还具备信号弹,会将降落附近的水染成醒目的橘红色,这样救援飞机就能很快地发现它。

可以说,从火箭升空到返回舱落地,宇航员都生死未卜,他们在用自己的生命为人类未来的太空事业开辟道路。

历史上,有22位宇航员在执行任务的过程中牺牲,还有很多预备宇航员在训练时遭遇意外。

宇航员训练


每一位宇航员,都是人类的英雄。

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