为什么当我们发射火箭的时候,我们很少看到大气层燃烧,但是当它返回的时候却会因为摩擦力而燃烧起来呢?同样是穿过地球的大气层为什么会有这样巨大的区别呢?
地球的大气层
我们知道大气层对于地球来说有非常重要的保护作用,很多靠近地球的小天体在地球的大气中就能被直接燃烧掉,不会直接对地面产生危害。当小天体撞击地球的时候,它们的速度是非常之快的,速度一般是在11.2千米每秒到72千米每秒之间。很有意思的是这个天体撞击的最小速度等于宇宙第二速度,也就是说一个物体能够挣脱引力束缚的逃逸速度。
当宇宙中的天体高速进入到地球大气层中的时候产生了非常强大的冲击波,也可以叫“激波”,压缩了空气,从而产生了巨大的热量,比较小的陨石可能在大气层中就被燃烧殆尽了,有的个头更大,速度更快的陨石很有可能砸到地面。小的陨石在高温的条件下,会被直接融化成液态。
所以当火箭从太空中返回的时候,会燃烧的原理其实和陨石是一样的,火箭从宇宙中返回到地球的速度是非常之快的,当然没有陨石的速度那么快,速度应该是和第一宇宙速度差不多,所以对大气中空气的压缩程度非常之高,温度也非常之高,往往会产生燃烧的现象。
那么为什么地球的火箭上空却不会摩擦燃烧呢?
其实我们上面有提到,无论要穿过大气层的陨石还是火箭,其实它们高温的动力都是由高速带来的冲击波的加热所导致的,说是摩擦生热并不正确。当然,火箭冲破大气层的时候并不会燃烧的很重要的原因就是速度并没有它返回的时候那么快。
当火箭在上空的时候,它需要不断地克服重力做功,动力不算特别强,即使在穿过大气层的时候速度应该也就在2-3千米每秒的样子,这可远比它返回的速度慢多了。这个速度对空气的压缩能力有待提高,温度不够高,不足以燃烧。
整流罩
所有的火箭在上空的时候都会装上整流罩,这是运载火箭的重要组成部分之一,能够有效地防止卫星受气动力、气动加热及声振等有害环境的影响。当火箭已经飞出大气层的时候,整流罩的任务就算已经完成了,所以火箭上的分离系统会将整流罩从运载火箭中分离出去,待和火箭保持了一段距离之后,将其引爆,完成抛罩任务。
也就是说,当火箭升空的时候是有受到整流罩的保护的,但是回来的时候是没有的。
路线不同
细心的朋友可能会注意到,火箭上升的时候是垂直往上走的,但是火箭返回的时候路径更像是弧形坠落的。这和工程师想达成的不同目的是相关的。当上升的时候,最大的目标就是尽快上天,减少燃料的使用,升温其实很慢。但是当火箭返回的时候要充分利用大气层来减速,确保航天器能够顺利返航。不同目标导致路线不同,也导致温度的变化不同。
此外,返回舱下面其实涂了一层易燃层,有意让其燃烧,能够发挥有效的隔热作用。
小结:
大家都知道地球的大气层对地球有着非常重要的保护作用,所以太空中的天体不会随意落到我们的地球上。其实火箭返回时燃烧和陨石落向地球燃烧的基本原理都是一样的,都是由冲击波压缩空气导致空气升温,最后产生的燃烧现象。
但是为什么上天的火箭并不会燃烧呢?首先就是因为速度不够快,压缩空气的水平不够高;其次就是上天的火箭受到了整流罩的保护,不会轻易燃烧;最后就是上天和返回路径和目标不同导致的。
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