為什麼飛船返回地球時,要不惜燃燒的危險加速通過大氣層?

DearJackal


為什麼飛船返回地球要加速通過大氣層呢?

其實是因為這樣會減少燃料的消耗,如果均速或以更慢的速度返回地球,會消耗超級多的燃料,目前的航天飛船還沒有辦法攜帶如此多燃料。


現實中我們的航天器返回艙都是沒有燃料的,包括航天飛機,都是利用大氣層減速,如果返回艙不加速返回地球,那麼就需要在大氣層外減速到足夠低,因為航天器在近地軌道的速度接近7.9公里/秒,想均速回來只能提前減速,減速需要燃料,將7.9公里/秒的速度減少,需要的燃料太多了,至少像一級火箭一樣多,即使能做到這點,也不一定可以均速返回地球。


而均速的條件是外力為零,也就是需要航天器受到的重力等於推力,假設減少7.9公里/秒到300米/秒,那麼航天器還需要消耗還是需要消耗燃料維持這個過程,可是剛才減速的燃料已經無法做到了。

日本之前就有一個研究——研究紙飛機,但是不是在地上扔,而是在太空往地球上扔,紙飛機在被扔下來的時候並不會有其他外力的作用,所以它會一直運動下去,質量足夠小的時候,慣性也是非常小的,這樣的話,紙飛機以較高速度剛進入大氣層後,就會因為重量輕而被減速,然後以微小重力狀態緩緩穿越大氣層並安全返回地球。

相信未來會有這麼一項技術,大家拭目以待!


河北薛之謙


咱們先來看一幅航天飛機穿越大氣層的圖:

可以看到航天飛機的表面覆蓋著熊熊烈焰,但千萬不要以為冒火了,就代表航天飛機在加速;實際上恰恰相反,這是航天飛機在大氣層中減速導致的現象。

因為航天飛機在軌飛機的速度至少都是每秒數公里,如果還是以如此高的速度降落地球,結局何等慘烈顯而易見。所以航天飛機必須在降落地面前將速度降低到一個安全水平,而通過什麼樣的方式來減速呢?利用自身引擎反向減速?這不實際。

地球有一個天然的現成的“緩速帶”——大氣層,當航天飛機在大氣層中高速下降時,航天飛機前方的空氣會被急劇壓縮導致溫度飆升,熱量同樣會被傳遞給航天飛機,但航天飛機上有先進的隔熱瓦作為防護,可以保證內部人員安全。

通過這種能量的轉化,可以使得航天飛機的動能得以下降,最終以安全速度降落地面。所以說航天飛機“燃燒”並不代表它在加速衝向地球,恰恰相反,那時它在利用大氣層減速而產生的現象。

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賽先生科普



理解錯了,太空飛船返回地球的時候,肯定是在做減速運動,否則以飛船的飛行速度,裡面的宇航員估計會被撞成一灘泥。

我們都知道地球存在引力,如果我們要抵抗地球的引力,就必須達到一定的運動速度才可以,那麼這個速度就是所謂的第一宇宙速度,第一宇宙速度的數值為7.9KM/S,簡單的說太空飛船的速度至少都在7.9千米每秒鐘。

那麼只要保證太空飛船的運動速度不低於這個數值,就可以讓它一直待在太空當中,換言之如果太空飛船的速度如果低於這個數值,這艘飛船或者飛行器就會慢慢從天上掉下來。

所以太空飛船返回地球原理很簡單,只要降低飛船的運動速度就可以了,但降低速度也需要一個過程,由於太空飛船的速度實在太快了,導致它在經過大氣層的時候,和大氣產生了劇烈的摩擦。

摩擦則會產生熱量,於是飛行器的外層就被燒的通紅,那麼大氣摩擦造成減速是非常有必要的,因為飛行器在返回地球的時候,是沒有燃料進行反向推動減速的,如果不充分利用大氣的摩擦,飛行器的速度無法降低到一個安全值。

所以飛行器在通過大氣層的時候,一定是在做減速運動,那麼等到速度降低到一個合適的數值之時,飛行器就會打開降落傘,然後慢慢從天上落下來,到此一次成功航天任務才算達成......


種植恆星


航空航天專業的同學來回答一下這個問題!

這位朋友,你恰巧說反了,宇宙飛船在返回地球的時候,不是加速通過大氣層,而是通過大氣層減速後才得以返回地球的。

你知道在太空中飛行的衛星速度有多高嗎?答案是至少7.9公里每秒。看好了,這裡是7.9公里每秒,不是每小時。要知道,我們現在的汽車時速60公里,換算一下是0.016公里每秒,所以你就可以想象飛在太空中的衛星的速度了。

如果讓衛星以這麼高的速度著陸到地面上,想都不要想,早就摔得粉粉碎了。所以必須要通過一定的方法給飛船減速——最好的辦法當然是用反向推進的方式來給飛船減速。但是一般來說在太空中飛行的飛船根本就沒有太多富裕的燃料,根本不可能用來給如此高速的飛船減速。

所以沒有辦法,只好用與大氣摩擦的方式來給飛船減速了。而且有些時候,為了讓減速更加徹底一些,飛船還要故意做“S”型路線,來延長摩擦的時間(比如說下圖就是航天飛機做S型飛行減速,只有這樣,龐大的航天飛機才能夠把速度降到足夠低)。

當然了,因為摩擦生熱的緣故,摩擦的過程會使飛船的溫度飆升,必須要採取獨特的措施才行。比如說航天飛機上就安裝了特質的隔熱瓦,用來隔絕高溫對船體的傷害(如下圖所示)。

這就是這個問題的答案,不知道我講明白沒有呢?


航小北的日常科普


現階段,無論是載人飛船,還是貨運飛船,它們都是用火箭送入太空中。當太空飛船執行完任務之後,它們是如何返回地球的呢?

當太空飛船返回時,它們會受到地心引力的作用而向下加速。但同時,稠密的大氣層會讓太空飛船減速。總得來說,太空飛船返回地球時是減速的過程,而非加速落到地球上。

再入大氣層

根據牛頓力學可知,地球的第一宇宙速度為7.9公里,這是太空飛船的最大軌道速度。隨著軌道高度的增加,軌道速度會逐漸下降。載人飛船的軌道高度一般為400公里,對應的軌道速度約為7.7公里/秒。如此巨大的動能,太空飛船沒有足夠的燃料來使自身減速,只能依靠地球稠密的大氣層來減速。

太空飛船在軌道上先啟動火箭發動機進行制動,使它能夠脫離原來的軌道,並在地球引力的作用下再入大氣層。一般來說,100公里是太空分界線。太空飛船再入大氣層的方式有很多種,例如,彈道式、跳躍式、滑翔式,無論哪一種都是利用空氣阻力進行減速。

在太空飛船再入大氣層的過程中,由於飛船前方的空氣被強烈壓縮(而非飛船與空氣劇烈摩擦),導致飛船外表的溫度大幅度升高至1000度以上。為了保證飛船的安全,需要採取措施來應對這種高溫。

飛船如何應對高溫?

我國的神舟載人飛船系列會在飛船外表塗上一層燒蝕材料,它們在高溫的作用下會被燒燬,脫離飛船,從而帶走大量的熱量。美國宇航局(NASA)的航天飛機則是採用隔熱瓦,機腹覆蓋著隔熱陶瓷,機翼和機鼻上安裝的是碳-碳複合材料,其餘機身使用其他隔熱材料。

隔熱材料對於太空飛船的安全返回起到至關重要的作用。在2003年,NASA的哥倫比亞號航天飛機升空時,由於外掛燃料箱上的泡沫掉下來擊中機翼,打穿了機翼上的一塊隔熱瓦。當哥倫比亞號航天飛機返航時,熾熱的氣體從機翼上的破洞大量湧入,導致航天飛機解體,機上的7位宇航員全部遇難。

當太空飛船的速度得到充分減速後,將會打開巨型的降落傘,使飛船進一步減速到每秒十幾米。我國的神舟載人飛船在離地面大約1.4米時,還會啟動反推火箭,以使飛船能夠安全著陸。NASA的航天飛機則是採用滑翔的方式返回地球,最後著陸時也會打開減速傘進行制動。

太空飛船返回時會經歷高溫,為什麼升空時不會呢?

原因在於火箭升空時,其速度並不快。火箭起飛時的重量大,並且稠密的大氣層會產生很大的阻力,所以火箭加速困難,速度較小,氣動熱效應並不強烈。

當火箭穿過稠密的地球大氣層之後,由於空氣阻力更小,火箭的質量變得更低,後續的加速變得更容易,並且也不會出現很強的氣動熱效應。正因為如此,哥倫比亞號航天飛機才能帶著一個破洞安全飛上太空。

太空電梯

如果未來能夠建成太空電梯,那麼,往返太空時不會經歷巨大的速度變化,也不會產生極高的溫度,隔熱將不再是一個大問題。只是目前沒有強度足夠高的材料,太空電梯還停留在理論階段。


火星一號


很榮幸為你解答!我們知道無論是飛船還是隕石,當它們經過大氣層的時候,都會發生燃燒。而且這種燃燒並不是物體本身所具備的,隕石和流星並沒有發生自燃,相反它們因為摩擦而發生的燃燒,而這種燃燒的溫度高達上千攝氏度。問題來了,物體為何會燃燒,飛船又如何來抵禦燃燒!

首先,我們知道地球被一個厚厚的大氣層所覆蓋,大氣層存在的重要性非常大,它不光能使地球的氣溫達到平均,同時它也是產生氣候變化的主要源頭,當然它還能於太陽帶電粒子摩擦引起極光效應。如果大氣層或許生物造就滅絕了。

同理,大氣層之所以能牢牢的被地球鎖住,原因在於氣體的質量。空氣看不見摸不著,但是它們卻有質量,它們都是由原子和亞原子顆粒組成,因此它們的引力和地球形成相互吸引,這樣才使得地球的大氣層得以保存。

我們知道宇宙飛船既然能飛出地球,那麼它的速度肯定超越了第一宇宙速度,也就是每秒鐘7.9公里的速度,當它飛入太空中,它需要達到第二宇宙速度,也就是脫離地球引力的速度。試想一下,宇宙飛船在返航的過程中,以這種速度降落地球的話,和一顆巨大的隕石撞擊地球沒啥區別,這會造成巨大的災難,同時也會危機宇航員的生命。

而我們所提到的,當飛船完成任務後,它會降落地球,由於飛船在發射過程中,它的燃料已經耗盡了,它沒有更多的燃料了。它依靠著地球的萬有引力逐漸的將自己慢慢的脫離原有的軌道,並且將速度降到第一宇宙速度之下,然後慢慢的進入地球,在進入地球的過程中,宇宙飛船將會嘗試進行極限減速。

在這裡給大家科普一下,大家可能會發現為何火箭發射的時候,頭部是尖形狀或者錐形狀(航天飛機除外),大多數的太空飛船返程後,它們都呈不規則的梯形形狀,這是因為在降落的過程,無法進行減速,而這種形狀可以承受更大的阻力,從而達到更好的減速效果。

當飛船在風阻的摩擦下,它的質量會變的越來越大,密度也會越來越高,從而在摩擦的過程中會使飛船頭部加熱,溫度高達上千攝氏度,而在這一過程中,風阻越大,減速效果就越好,同時溫度也就會越高。當速度降到一定程度的時候,阻力變小,質量減小摩擦就無法產生加熱,從而飛船正是的進入內部的大氣層,然後飛船將會在重力和引力的因素下極速的著落,這時候打開飛船的降落傘,慢慢的滑行,直至降落到地面!

通過以上答案,如果在降落的過程中,飛船的設計無法完成更多的減速,那麼飛船就用運用特殊的方式,延長在大氣層中的時間,由於飛船本身的設計是阻擋超高溫的,所以能在大氣層停留相當長的時間。當速度降到一定程度的時候,飛船就可以打開降落傘將速度降到最低,從而完成著陸。當然這種情況很難發生,因為一般的飛船都是經過很多次測量和測試,發生這種事件的概率非常的小!

我是宇宙V空間,一個科普天文愛好者!本文由宇宙V空間原創,轉載請註明出處!如果你對這篇文章有疑問,請在下方評論和留言!圖片源於網絡!


宇宙V空間


不是加速進入大氣層是減速,是減速進入大氣層。

進入大氣層現象

可以看到飛船的表面覆蓋著熊熊烈焰,但千萬不要以為冒火了,就代表飛船在加速;實際上恰恰相反,這是飛船在大氣層中減速導致的現象。

航天器需要隔熱罩才能進入地球

因為進入的大氣層動力遠遠超過了發射期間的動力(多了兩個倍重力),足以將未受保護的飛船撕裂。火箭的製造是為了承受離開大氣層時的大氣壓力,但這與返航無關。

根據牛頓力學可知,地球的第一宇宙速度為7.9公里,這是太空飛船的最大軌道速度。隨著軌道高度的增加,軌道速度會逐漸下降。載人飛船的軌道高度一般為400公里,對應的軌道速度約為7.7公里/秒。如此巨大的動能,太空飛船沒有足夠的燃料來使自身減速,只能依靠地球稠密的大氣層來減速。它需要大大減速才能使其到達地球表面,而最簡單的方法是將地球大氣層用作“剎車”。實際上,航天器的設計就是利用了這一點,因此,當航天器通過大氣層時,寬大的隔熱罩首當其衝地減速。我們將大氣層用作使航天器減速的便捷方法,而不是僅僅依靠燃料。

在上升的過程中,火箭首先具有“尖頭”末端,從而減少了大氣阻力。它的飛行速度也比飛船重新進入大氣的速度要慢得多,因此它不會承受相同的力或熱量。

飛船返回地球時,通過減速通過大氣層,不是加速。


科研小蟲


飛船返回地球,並沒有加速,而是減速,最終使得速度降低到可以使用航天降落傘的程度:



飛船繞地飛行的速度就是位於第一宇宙速度和第二宇宙速度之間,大概是7900米/秒和11200米/秒。而飛船想要著陸,必須把速度降低到7900米/秒以下。但由於飛船攜帶的燃料往往並不是很多,所以飛船返回艙返回地球時進入大氣層的速度幾乎接近7900米/秒,如此巨大的一個速度將會和大氣層產生劇烈的摩擦,摩擦將會產生大量的熱量,使得飛船在減速的同時,溫度也將會達到恐怖的1600℃。



這個溫度是什麼概念呢?

就是鐵、鋼、銅、金、鋁等材質的材料,將會直接融化!所以,飛船返回時的外表必須要使用隔特殊的製造技術和材料,阻止熱量、隔絕熱量傳遞到飛船內部!一般可以使用一下兩種方式做到阻熱和隔熱:1.使用碳複合材料隔熱,使得外面的熱量無法傳遞到內部。2.使用一些比較容易燒灼的材料把熱量帶走。經過這兩個途徑,可以使得飛船內部溫度適中,保證航天員安全。





所以,從上面可以看出來,飛船安全返回的關鍵就是這種隔熱和散熱材料。而這些材料,都是花費無數科學家很多心血研製出來的。要不說基礎科學很重要呢,國家大力對基礎科學投入,是肯定對的!


科學探秘頻道


感謝提問,這個問題本身就存在誤解,飛船返回地球后是不可能呈加速運動的,而且也沒有飛船的再入過程是需要加速的案例。如果真是這樣的話你知道落地的瞬時速度會是多大嗎?這個恐怕早已超過了返回艙所能承受的撞擊的極限吧,那就更不用說返回艙內的航天員了,具體什麼場面我就不講了,自己腦補一下。

眾所周知,由於地球引力的存在,因此所有繞地球飛行作圓周運動的物體就必須要達到第一宇宙速度,也就是每秒7.9公里,而要克服地球引力的束縛飛離地球進入到環繞太陽運行的軌道,就必須要達到第二宇宙速度,也就是每秒11.2公里。

從上文第一宇宙速度和第二宇宙速度的定義的內容中不難得出,當環繞地球做圓周運動的物體一旦速度低於第一宇宙速度或第二宇宙速度(7.9公里/秒、11.2公里/秒),那麼該物體將會在地球的引力作用下不斷下降,也就是引力勢能轉變為動能。因此要想讓飛船返回地球,首先必須要降低飛船原來的速度,只有這樣才能降低飛船的軌道以及為後續相關操作做準備。

當關閉飛船的發動機後,由於地球高層大氣十分稀薄,因此在飛船下降過程的初期可理解為飛船僅在地球的萬有引力作用下運動。這時候雖然飛船的速度有所降低,其高度也在不斷的下降,但是隨著勢能的不斷轉換,飛船的下降速度隨之增加。

當飛船到達地球大氣層頂部時,飛船的外殼會與地球大氣層發生劇烈摩擦和燃燒(就如同隕石墜落一樣),這一過程會使飛船的頭部溫度達幾千攝氏度,但也會因為大氣的阻力而使飛船減速,而且減速度可以達到飛船重力的好幾倍。

實際上飛船進入地球大氣層後,大氣層就充當了飛船的“降落傘”,飛船在大氣的阻力下持續“剎車”直至距地面約10000米的高度降低為“音速”或“亞音速”,這個時候飛船已經差不多消耗了約99%的動能了,便可打開減速傘實行人工減速,最後以每秒10米的速度著陸。

從飛船返回地球的過程來看,先後經過了降速、增速再到降速的過程,由於飛船再入大氣層後,會以很高的速度與大氣層發生劇烈摩擦和燃燒,這一過程是相當危險的,也是航天員最難受的階段,同時這一加速的過程也是不可控的,因此除了“不惜燃燒的危險加速通過大氣層”別無它選,畢竟要想加上反推火箭在技術上沒有較大難度,但這樣既給發射帶來較大難度,同時也會使發射成本大幅增加。

以上內容,歡迎點評!


地理那些事


任何軌道上的航天器都有極高的速度,從太空返回的宇宙飛船需要消除宇宙速度,才能安全著陸,所以飛船返回地球的過程是減速的。飛船利用大氣來消散動能,當飛船進入大氣層的上端時,與空氣分子的摩擦作用開始使其減速,失去的動量轉化為熱量,溫度可以達到1650攝氏度。如果控制不當,這些熱量將在飛船積聚,並使航天器受到可能摧毀它的極端溫度的影響。

在再入大氣層過程中,航天器至少要經歷三種力。引力是跟航天器質量相關,而其他兩個力則取決於航天器的速度——由空氣摩擦引起的阻力也取決於飛行器的流線型和空氣密度,鈍的物體比尖物體減速得更快;具有適當空氣動力設計的航天器例如航天飛機,也會受到垂直於其運動的升力。

再入大氣層過程中產生的減速力和熱量隨入射角即相對於大氣的陡度增大而增大。如果角度太陡,飛船就會過熱燃燒;如果角度太小,航天器就會從大氣層邊緣掠過,就像一塊石頭掠過池塘表面一樣,航天飛機重返大氣層的角度是40度。

最終大氣阻力會使飛船減速,進入下降階段後,速度將迅速下降,在大約20公里的高度時,航天器將接近亞音速,可以使用機翼或降落傘部署著陸。

飛船返回地球時由於一開始速度就極快所以高速通過大氣層時需要承受燃燒的危險,當然,你可以從軌道上使用大型火箭制動來緩慢下降,但是由於地球的引力,這將需要大量的燃料,而要分批次將這些燃料發射到軌道上又需要更多的大型火箭和燃料。


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