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几乎被烧得面目全非,神舟十二号飞船返回地球时到底经历了什么?

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猩猩科学频道 2021-09-20 21:40

现在我们的天舟三号货运飞船已经发射升空,此前我们的神舟十二号飞船也已经安全返回地球。通过对比发射前后的画面,我们可以看到神舟十二号飞船的返回舱在发射前以及返回地球后,外侧是差别非常大的。在发射之前,飞船外部看起来非常干净整洁,但是在返回以后返回舱却看起来像被烧烤过那样。这并不仅仅是神舟十二号飞船返回舱才有这样的情况,嫦娥五号探测器返回舱带着珍贵月球样本返回地球时,同样几乎被烧得面目全非。下图就是嫦娥五号探测器的返回舱,在返回舱的表面有一些区域几乎已经是黑不溜秋的,外壳有一些区域神舟看起来已经有脱离现象。这是怎么回事?飞船返回舱在返回地球时到底经历了什么?

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嫦娥五号返回舱

神舟十二号飞船返回地球时到底经历了什么?

卫星、飞船这些飞行器的速度非常快,一般都达到或者超过地球的第一宇宙速度7.9公里每秒,有一些甚至可以达到或者接近地球的第二宇宙速度11.2公里每秒。当飞行器以这么快的速度环绕地球飞行时,可以飞行很长时间都不会掉下来,因为离心力与重力相抵消。不过由于在地球轨道附近仍有稀薄的空气,不可避免会给这些飞行器带来空气阻力。

嫦娥五号返回舱

虽然太空中的空气阻力在短时间内不会导致飞行器的飞行速度、飞行高度明显下降,但是长年累月后,这些飞行器最终还是会掉下来。如很多卫星在结束使命几个月或者几年以后就会坠入大气层。而载人飞船想返回地球时不能依靠速度、高度自然衰减来实现,因为这个时间非常长,很多飞船的飞行时间可能只有几天时间,所以飞船在返回地球时一般都需要启动发动机减速、制动来降低速度。

第一个阶段:神舟十二号飞船先与空间站分离,然后逆时针转动了90°,随后又逆时针旋转了90°,推进舱在前方,而返回舱位于后方,与之前的朝向相反。紧接着,推进舱启动发动机进行制动减速,从近400公里的高空开始降低轨道。

第二阶段:当返回舱、推进舱组合体下降到距离地面大约140公里时,返回舱与推进舱分离,返回舱选择好恰当的再入大气层姿态角准备进入大气层。如果角度过大,返回舱可能会冲入大气层,而角度过小,返回舱就可能会被大气层弹出去,有点像打水漂。此前嫦娥五号探测器返回舱以接近第二宇宙速度返回大气层时,曾经以“打水漂”的方式在大气层中减速。

第三阶段:当返回舱下降到100公里的高度穿过“卡门线”时,空气密度越来越大,返回舱与大气剧烈摩擦产生的气动加热效应,让返回舱周围气体的温度急剧上升到几千℃。这么高的温度,让返回舱的周围燃烧起来,最终原本干净整洁的返回舱外部就被烧得黑不溜秋的。

这个过程是最惊险的环节之一,如果返回舱外壳的隔热效果不明显,那返回舱内的温度也会很高,对于宇航员来说无疑是坏消息。如果返回舱出现裂缝或者小孔,几千摄氏度的热空气也会涌入返回舱内,造成悲剧。如前苏联的联盟11号飞船在返回地球时由于返回舱的压力阀门被震开,舱内3名宇航员因此牺牲。虽然温度非常高,但是科学家为神舟飞船的返回舱研制了防热材料,能够保护返回舱内宇航员的安全。

第四阶段:随着返回舱下降到距离地面大约10公里时,就会打开减速伞继续降低速度,搜寻队员也已经发现了返回舱降落,就会前往返回舱的着陆点附近等待搜救。在即将到达地面时,返回舱就会启动反推发动机进一步将速度降下来,着陆的速度下降到2米每秒。从拍摄到的画面,我们可以看到返回舱在着陆前的一瞬间地面扬尘四起。

只有在降落有大气层的星球时才会出现这样的情况,飞船着陆到那些没有大气层的星球时,是不会出现燃烧现象的。如嫦娥五号探测器在登陆月球时就没有燃烧起来,探测器的上升机从月球表面起飞到达月球轨道完成样本交接后,再入受控降落月球表面,也没有出现类似的燃烧现象,所以它原本是怎么样的就是怎么样的。

在正常情况下,环绕地球飞行的卫星最终都会坠入大气层,只是时间的问题而已,有一些卫星可能几个月就会再入大气层,有一些卫星可能需要几年、几十年甚至更长时间才会重返地球。由于卫星不需要搭载宇航员,在完成使命以后就会被抛弃,所以不需要考虑这些卫星残骸再入大气层时的高温问题。毕竟,为卫星涂抹防热材料需要大量资金,也没必要这么做,还不如让它们直接再入大气层,被几千摄氏度高温烧毁。

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