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神舟12号航天员“艰辛的”回家路,飞船燃烧有高温还会“失联”?

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神舟12号宇宙飞船于2021年6月17日顺利发射升空,我国的三名航天员也按照既定计划在空间站里工作生活了三个月的时间,期间还圆满地完成了出舱任务。8月20日宇航员们拍摄的宇宙大片不仅在朋友圈里刷屏,也让全世界的目光注视着这些勇敢的太空探索英雄们。

航天员拍摄的宇宙大片


3个月的时间转瞬即逝,在即将到来的双节之际,我们高兴地期盼他们三位顺利回家。地面已经做好了各种准备工作,现在就等待着飞船在今天择机回到地球。

航天员等你们回家


不过这最后回归的一关也是充满了各种挑战,在飞船穿越大气层时,因为速度极快,摩擦力极高,通常会发生燃烧,让舱体置于高温之中;同时,在回家的路上,飞船还会经历黑障区,导致处于短暂“失联”状态,这究竟是怎么一回事呢?大家跟着小编一起来了解一下吧。

飞船出发时为何没有燃烧

首先我们来谈谈飞船的燃烧问题。那么有些网友就有疑问,为什么这些飞船、火箭在发射穿越大气层时没有燃烧,却在返回时燃烧爆炸了呢?二者都有摩擦力,为什么独独在返程时燃烧,这是什么原理呢?

飞船通过大气层


目前世界各国的载人飞船都是有火箭运载发射,比如我们的神舟12号载人飞船就是通过长征2号F遥十二运载火箭。因此我们讲飞船出发就是讲的火箭出发。那么要搞懂这个问题,就要知道火箭发射的原理。

火箭,简单说就是一种推进器,利用燃烧推进剂产生的巨大推力升空。因为地球上存在万有引力,不论扔什么东西上去,都会在引力的作用下垂直下落。而要摆脱引力飞出地球,就需要足够大的速度。火箭想要摆脱引力升空,它的速度必须要超过第一宇宙速度(7·9km/s),因此就要求火箭的燃料能产生足够强大的推动力。

神舟十二号升空


当火箭点燃发射升空之后,因为有引力的束缚因此速度较慢,因此即使与空气发生摩擦也不会发生燃烧。之后速度慢慢加快,但是因为火箭是垂直发射,穿过大气层的时间较快并且大气的温度较低,所以即使速度快,也能在燃烧之前就冲出大气层进入宇宙,而宇宙是真空环境,故而不存在摩擦反应,就不会燃烧。

飞船整流罩掉落


同时,火箭还有整流罩的保护,整流罩就是火箭头部的钢铁外衣,耐高温性极强。因此火箭在起飞穿越大气层时,才没有发生燃烧爆炸事件。那么为什么返回时火箭又发生了燃烧呢?

返回时燃烧的原因

与出发时相比,回来的飞船是“轻装上阵”,虽然没有那么重了,但是飞船的返回过程可比发射复杂得多。首先它们要以宇宙第一速度的速度进入大气层,之后利用缓冲火箭和面积大约在一千多米的巨大降落伞减速,最后飞船的返回舱以大约3.5米/秒的速度着陆。

返回舱的降落伞


但是在刚刚进入大气层的时候,返回舱的速度非常快大约能达到11公里/秒,因此其外壳会与大气层发生激烈的摩擦,产生大量的热量,这个过程叫做“气动加热”。在离地面80到40公里的稠密大气层时,气动加热过程达到最高点,返回仓表面温度达到1000到3000度,整个返回舱看起来就像一颗着火的流星。因此超高的速度是燃烧的原因之一。

火流星


其次,没有整流罩的保护。在飞船随火箭飞出大气层时,即使最后的速度比较快也因为有整流罩的保护而顺利通过。但是当火箭飞出大气层后,这件钢铁保护服就完成使命,分成两半脱离飞船了。因此在回程时,失去整流罩的返回舱只能依靠自身外层的防火涂层来防火,而卫星之类的天体返回时却什么保护都没有,因此在进入大气层后,发生剧烈的摩擦,导致变成“火流星”。

神舟十二号整流罩


最后,飞行环境不同。发射时因为地球的引力束缚,飞船的速度只能一点点地加快,因为穿过大气层的速度差不多在第一宇宙速度附近。而返回时初始速度较好,然后在宇宙中真空环境下速度一直增加,进入大气层后压缩空气并与之发生剧烈摩擦。因此出现燃烧。

不过网友们也不要担心,正是考虑到返回时会出现的燃烧情况,由于返回舱里搭乘着宇航员,为了保证他们的生命安全,所以航天设计师们为它精心设计了一件“避火衣”,由瞬时高分子耐高温材料制成的低导热复合材料。

此前的返回舱图像


当飞船经过大气层时,这件神奇的避火衣遇见高温时就会主动燃烧,利用有机物的燃烧带走大量热量,同时还形成一层碳化薄膜紧紧粘在返回舱表面,具有良好的隔热性能,防止高温侵入舱内。

黑障区和黑障现象

不过正是由于飞船发生燃烧导致温度极高,这就会让飞船出现黑障现象,导致失联。要了解什么是黑障,就不得不提到黑障区。黑障区一般出现地球大气层中,位于距离地球上空35-80KM的区域。而通过黑障区就会发生失联的黑障现象。

飞船进入黑障区


那么黑障是如何形成的呢?一般来讲,当卫星、宇宙飞船甚至洲际导弹等空间飞行器从太空返回大气层时,飞行速度极高,可以达到音速的十几倍到几百倍。这就让飞行器的前端形成了一个很强的激波,同时整个飞行器因为与大气层发生摩擦让表面温度快速升高,从而使得飞行器周围形成大量的高温等离子体。

我们都知道,信息的传递需要通过电磁波来传输电子信号,而这些等离子体就会形成等离子鞘套,变成一道屏蔽无线电信号的屏障,从而影响信号传输,因此飞船此时就会处于无法有效接收和传输信号的状态。

超高温等离子体


黑障现象是发生在大气层中的一种特殊现象,按现在的数据统计,黑障的持续时间大约在4-7分钟左右。等到飞行器不断接近地面,飞行速度和高度进一步降低,与大气层的摩擦力减弱后飞行器表面也会持续降温,飞行器周围的高温等离子体也会逐步消失。因此,飞行器与地面的联系也会恢复了。

结语

小编也没有想到,本以为三位航天员在太空中的3个月的工作已经顺利完成,接下来就像我们平时搭乘交通工具回家一样,是一件轻松容易的事情了。谁知道,就像一句俗话说得好“上山容易下山难”,回家的路途也是充满了挑战。不过我国已经成功地完成了多次载人航天任务,对于这些困难也早就做到了心中有数,准备充分。让我们安心地等待航天员凯旋而归吧!

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