如果宇航员跌落大气层，他会发生什么？

咱们先来弄清楚：

1.为什么航天器不会掉落

牛顿发现了万有引力定律：

自然界中任何两个物体都是相互吸引的，引力的大小与两物体的质量的乘积成正比，与两物体间距离的平方成反比。

公式：

F为力，G为万有引力常数，m1，m2为两物体的质量，r为两物体间距离

同样地，我们与地球之间也有引力作用。但是，由于地球质量与我们相差太大(大约是一个人类的10的23次方倍），所以我们与地球之间引力主要表现为重力。

可能生活中你有这样的体验，当你扔出一个小球，你扔的速度越快，小球飞得越远。

大胆地想象一下，如果这个小球速度很快很快，那么在它没掉到地上之前，它就能绕地球一圈。

由于在地球上有稠密的大气层，所以航天器不可能贴近地球表面作圆周运动，必需在 150 公里及以上的飞行高度上，才能绕地球作圆周运动。

根据向心力和万有引力推导，如果近地面环绕地球做圆周运动不掉下来，需要7.9千米/秒的速度。（实际情况可能速度小一点点，约7.8千米/秒，高度越高，环绕所需速度越小，这个速度是一般步枪子弹初速度的10倍左右！！！）

2.宇航员跳下会怎么样？

上述的公式计算出来的都是理想情况下的结果。但是，现实并不仅仅如此简单。

首先，此时的空气是接近真空，但不是完全真空。所以运动着的物体还是会有动能损失；

此外，除了地球，仍然还有其他的星体对我们有吸引力；

况且，地球并不是完美的球体，而是个两极部位略扁赤道稍鼓的不规则椭圆球体；

还有，宇航员的轨道上，可能还有其他物体。或许是太空垃圾，或许是一些小的太空陨石，

有可能相撞......

在诸多因素影响下，假设跳下航天器的宇航员没有撞到其物体，但是由于没有动力设施，宇航员不能及时地调整自身轨道，那么他迟早都会降轨，慢慢进入地球大气层，在强大的地球引力作用下下落。

生活中你可能会有这样的体验，速度越快，感受到空气的阻力越大。

在宇航员下落的过程中，由于空气阻力与速度有关，因此在速度达到一定情况下时，重力会与空气阻力平衡。

太阳辐射在太空中造成的温度范围：121 °C—— -233 °C。

美国航天飞机舱外航天服的外防护层的耐温阈值指标为高温149摄氏度，低温-184.4摄氏度

（能够适应大多数情况） 俄罗斯的海鹰舱外航天服和中国的飞天舱外航天服的技术标准虽然不完全相同但较为接近。

空气阻力的公式：

C为空气阻力系数；ρ为空气密度，正常的干燥空气可取1.293g/l；S物体迎风面积；V为物体与空气的相对运动速度。

为了方便计算，我们取人体质量为100千克，人体的为一般球体的空气阻力系数0.5，迎风面积为0.12平方米，重力加速度假设不变，取g=10米/秒^2.

经过我的初步计算，一个人在空中掉落约5.74千米，重力与空气阻力平衡，此时阻力等于重力，1000牛顿。

150公里以下时，宇航员开始降落，到约140公里左右，重力与空气阻力平衡，由于重力加速度在下落过程中还要改变且为了方便计算，所以此处减少坠落高度，约100公里。

根据热传递公式：热量=温度变化 乘以 比热容 乘以 质量

在此只考虑重力做功，取宇航服比热容 10^3J/K·kg，得出温度变化为10的3次方摄氏度

（以上的仅是为了获取一个大致温度变化的感知，没有考虑空气动力学等等高级学科计算，在简化计算上也不尽人意，还望高手们体谅）

舱外宇航服可抵挡不住这样的温度。

此外，从外太空到地面，如果考虑这个过程中人体所需的水、食物以及排泄物处理等等，

一个宇航员跳出航天器后从外太空中活着或是完整地回来的几率，小到可以忽略不计。

图片来源：维基百科

参考资料：

1.”Space suit“——Wikipedia

2.Thomas, Kenneth S.; McMann, Harold J. (23 November 2011). U.S. Spacesuits. Springer Science & Business Media.

3.航天服——百度百科

4.把羽毛从太空扔下，会被烧毁，还是飘落到地上？——知乎

5.《大众天文学》[法国]C.弗拉马里翁