如果宇航員跌落大氣層,他會發生什麼?

咱們先來弄清楚:

1.為什麼航天器不會掉落

牛頓發現了萬有引力定律:

自然界中任何兩個物體都是相互吸引的,引力的大小與兩物體的質量的乘積成正比,與兩物體間距離的平方成反比。

如果宇航員跌落大氣層,他會發生什麼?

公式:

如果宇航員跌落大氣層,他會發生什麼?

F為力,G為萬有引力常數,m1,m2為兩物體的質量,r為兩物體間距離

同樣地,我們與地球之間也有引力作用。但是,由於地球質量與我們相差太大(大約是一個人類的10的23次方倍),所以我們與地球之間引力主要表現為重力。

可能生活中你有這樣的體驗,當你扔出一個小球,你扔的速度越快,小球飛得越遠。

大膽地想象一下,如果這個小球速度很快很快,那麼在它沒掉到地上之前,它就能繞地球一圈。

如果宇航員跌落大氣層,他會發生什麼?

由於在地球上有稠密的大氣層,所以航天器不可能貼近地球表面作圓周運動,必需在 150 公里及以上的飛行高度上,才能繞地球作圓周運動。

根據向心力和萬有引力推導,如果近地面環繞地球做圓周運動不掉下來,需要7.9千米/秒的速度。(實際情況可能速度小一點點,約7.8千米/秒,高度越高,環繞所需速度越小,這個速度是一般步槍子彈初速度的10倍左右!!!)

2.宇航員跳下會怎麼樣?

上述的公式計算出來的都是理想情況下的結果。但是,現實並不僅僅如此簡單。

首先,此時的空氣是接近真空,但不是完全真空。所以運動著的物體還是會有動能損失;

此外,除了地球,仍然還有其他的星體對我們有吸引力;

況且,地球並不是完美的球體,而是個兩極部位略扁赤道稍鼓的不規則橢圓球體;

還有,宇航員的軌道上,可能還有其他物體。或許是太空垃圾,或許是一些小的太空隕石,

有可能相撞......

如果宇航員跌落大氣層,他會發生什麼?

在諸多因素影響下,假設跳下航天器的宇航員沒有撞到其物體,但是由於沒有動力設施,宇航員不能及時地調整自身軌道,那麼他遲早都會降軌,慢慢進入地球大氣層,在強大的地球引力作用下下落。

生活中你可能會有這樣的體驗,速度越快,感受到空氣的阻力越大。

在宇航員下落的過程中,由於空氣阻力與速度有關,因此在速度達到一定情況下時,重力會與空氣阻力平衡。

太陽輻射在太空中造成的溫度範圍:121 °C—— −233 °C。

美國航天飛機艙外航天服的外防護層的耐溫閾值指標為高溫149攝氏度,低溫-184.4攝氏度

(能夠適應大多數情況) 俄羅斯的海鷹艙外航天服和中國的飛天艙外航天服的技術標準雖然不完全相同但較為接近。

如果宇航員跌落大氣層,他會發生什麼?

空氣阻力的公式:

如果宇航員跌落大氣層,他會發生什麼?

C為空氣阻力系數;ρ為空氣密度,正常的乾燥空氣可取1.293g/l;S物體迎風面積;V為物體與空氣的相對運動速度。

為了方便計算,我們取人體質量為100千克,人體的為一般球體的空氣阻力系數0.5,迎風面積為0.12平方米,重力加速度假設不變,取g=10米/秒^2.

經過我的初步計算,一個人在空中掉落約5.74千米,重力與空氣阻力平衡,此時阻力等於重力,1000牛頓。

150公里以下時,宇航員開始降落,到約140公里左右,重力與空氣阻力平衡,由於重力加速度在下落過程中還要改變且為了方便計算,所以此處減少墜落高度,約100公里。

根據熱傳遞公式:熱量=溫度變化 乘以 比熱容 乘以 質量

在此只考慮重力做功,取宇航服比熱容 10^3J/K·kg,得出溫度變化為10的3次方攝氏度

(以上的僅是為了獲取一個大致溫度變化的感知,沒有考慮空氣動力學等等高級學科計算,在簡化計算上也不盡人意,還望高手們體諒)

艙外宇航服可抵擋不住這樣的溫度。

此外,從外太空到地面,如果考慮這個過程中人體所需的水、食物以及排洩物處理等等,

一個宇航員跳出航天器後從外太空中活著或是完整地回來的幾率,小到可以忽略不計。

如果宇航員跌落大氣層,他會發生什麼?

1.”Space suit“——Wikipedia

2.Thomas, Kenneth S.; McMann, Harold J. (23 November 2011). U.S. Spacesuits. Springer Science & Business Media.

4.把羽毛從太空扔下,會被燒燬,還是飄落到地上?——知乎

5.《大眾天文學》[法國]C.弗拉馬裡翁


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