在《星際探索》的開篇,由於受到來歷不明的電磁脈衝影響,國際空間天線(ISA)上的電路受到大規模損壞,在艙外中活動的宇航員紛紛受到衝擊而掉下去,這其中也包括主人公羅伊。在降落傘的幫助下,羅伊最終逃生,安全降落到地上。
然而,每當太空艙或者隕石從太空進入地球的稠密大氣層時,都會因為前方空氣的劇烈壓縮而導致急劇升溫,表面的溫度可以上升到1000攝氏度以上,較小的隕石會完全燒燬,而太空艙需要隔熱材料才能安全著陸。
那麼,為什麼《星際探索》中的宇航員能夠安全降落,而不會在大氣層中燒燬呢?
《星際探索》中的國際空間天線並非是傳統的空間站,而是太空電梯。因此,國際空間天線上的宇航員相對於地面是靜止的。當宇航員從國際空間天線上掉下來的時候,他們將會做初速度為零的自由落體運動。
在地心引力的作用下,宇航員的下落速度會變得越來快。但隨著進入稠密的大氣層中,宇航員將會受到越來越大的空氣阻力。由於空氣阻力正比於速度的平方,所以空氣阻力會迅速增大。直到阻力與重力平衡,宇航員將會以穩定的終末速度下落,而不會無限增加。
人類曾經嘗試過從距離地面42公里的空中跳下來,最高速度略快於音速,最終通過降落傘安全抵達地面。1馬赫速度所產生的熱效應不會太高,穿著隔熱服可以應對。
對於從太空中掉下來的宇航員,他所能達到的速度也會更高一些。但有了宇航服的防護,宇航員可以承受住穿過大氣層時所產生的熱量。最終,藉助降落傘不斷減速,宇航員能夠安全著陸到地面上。
不過,宇航員不能從太高的太空中掉下來。通過粗略估算可知,如果宇航員從距離地面400公里的地方掉下來,當他抵達太空的分界線,也就是距離地表100公里的高度時,他的速度將會高達2.4公里/秒,相當於7馬赫。如果以如此快的速度衝入大氣層中,速度進一步增加,宇航服很可能無法抵擋這種熱效應。
從太空飛船上掉下來
另一方面,如果宇航員從太空飛船上掉下來,結果將會變得完全不同。為了對抗地球引力作用,太空飛船需要以很快的速度繞著地球旋轉,例如,在400公里的高度,太空飛船的繞行速度需要達到7.7公里/秒。當宇航員從太空飛船上掉下來時,由於慣性,宇航員自身也有7.7公里/秒的軌道速度,所以他不會直接掉向地球,而是繼續繞著地球旋轉。
雖然太空近乎真空,但仍然還有阻力作用。經過足夠長的時間之後,沒有動力的宇航員會逐漸螺旋接近地球,最終會以極快的速度再入大氣層。在這種情況下,熱效應十分強大,宇航服根本無法忍耐這種高溫,所以宇航員將不能依靠降落傘安全著陸,而是在穿過大氣層中被燒燬。
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