回到地球的“火球”

現(xiàn)在的我們，早已見(jiàn)慣了各式各樣的宇宙飛船在地球和太空之間來(lái)來(lái)往往，令人感到奇怪的是，當(dāng)宇宙飛船返回地球時(shí)會(huì)被高溫炙烤，甚至?xí)兂梢粋€(gè)耀眼的“火球”，然而在宇宙飛船飛出地球時(shí)，卻沒(méi)有出現(xiàn)這樣的情況，這是為什么呢？下面我們就來(lái)聊一聊這個(gè)話題。

當(dāng)物體在空氣中高速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生高溫，這種現(xiàn)象被稱為“氣動(dòng)加熱”。關(guān)于這種現(xiàn)象，有一種常見(jiàn)的說(shuō)法是，物體在空氣中高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其表面會(huì)與空氣劇烈摩擦，進(jìn)而產(chǎn)生高溫。但這種說(shuō)法其實(shí)并不準(zhǔn)確，因?yàn)楸M管物體表面與空氣的摩擦確實(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，但更多的熱量，則是來(lái)自物體在高速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中對(duì)其前方空氣的劇烈壓縮。

相信大家都聽(tīng)說(shuō)過(guò)第一、第二和第三宇宙速度，簡(jiǎn)單來(lái)講，它們分別對(duì)應(yīng)宇宙飛船環(huán)繞地球運(yùn)行、擺脫地球引力束縛以及飛出太陽(yáng)系的最低速度。

也就是說(shuō)，當(dāng)宇宙飛船在執(zhí)行完太空任務(wù)返回地球時(shí)，其最低的速度與第一宇宙速度差不多，這種速度其實(shí)比想象中的快得多。比如在空間站的高度上，第一宇宙速度大約是7.8千米每秒，按照這樣的速度，大概只需要1.4小時(shí)就可以繞著地球赤道跑一圈。

所以我們不難想象，以如此高的速度穿過(guò)大氣層，宇宙飛船當(dāng)然會(huì)因?yàn)閯×业臍鈩?dòng)加熱而被高溫炙烤了。那為什么宇宙飛船飛出地球時(shí)，卻沒(méi)有出現(xiàn)這樣的情況呢？

從理論上來(lái)講，當(dāng)物體在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣動(dòng)加熱產(chǎn)生的熱量與兩個(gè)條件密切相關(guān)，一個(gè)是物體的運(yùn)動(dòng)速度，另一個(gè)則是空氣的稠密程度，具體表現(xiàn)為：物體的運(yùn)動(dòng)速度越快，空氣的稠密程度越高，其產(chǎn)生的熱量也就越多。

需要知道的是，地球大氣層之中的空氣其實(shí)分布得極不均勻。其中有大約75%的質(zhì)量都集中在其底部的對(duì)流層，而隨著高度的增加，空氣的密度也會(huì)急劇下降。當(dāng)高度達(dá)到100千米時(shí)，空氣的密度就大約只有海平面處的空氣密度的220萬(wàn)分之一了。

我們都知道，在發(fā)射宇宙飛船的時(shí)候，宇宙飛船的速度并不是瞬間提升的，而是有一個(gè)相對(duì)緩慢且持續(xù)的加速過(guò)程。這就意味著，在地球大氣層中空氣相對(duì)稠密的區(qū)域里，宇宙飛船的速度其實(shí)并不快，如此一來(lái)，即使存在氣動(dòng)加熱，其產(chǎn)生的熱量也不算多。

而隨著宇宙飛船的速度逐漸提升，其飛行高度也在不斷增加，空氣的密度也會(huì)急劇下降。在這樣的情況下，當(dāng)宇宙飛船的速度提上來(lái)之后，其所在區(qū)域的空氣已經(jīng)非常稀薄了，氣動(dòng)加熱的效果也不明顯，其產(chǎn)生的熱量當(dāng)然也不多，自然也就不會(huì)被高溫炙烤了。

看到這里你可能會(huì)提出一種想法：既然如此，那么在宇宙飛船返回地球時(shí)，我們能不能把它的速度降下來(lái)，.讓它以較低的速度穿過(guò)大氣層中空氣相對(duì)稠密的區(qū)域，進(jìn)而避免宇宙飛船被高溫炙烤？很遺憾，這樣的想法好是好，但以我們目前的技術(shù)水平無(wú)法做到。

現(xiàn)在我們給宇宙飛船減速的方法只有兩種，即依靠減速傘和反推裝置。正如前文所言，宇宙飛船返回地球時(shí)，其速度是相當(dāng)高的。在這種情況下，如果我們用減速傘，其實(shí)在空氣稀薄的區(qū)域，減速傘根本起不了作用；在空氣稠密的區(qū)域，劇烈的氣動(dòng)加熱所產(chǎn)生的高溫，則會(huì)將減速傘在極短的時(shí)間內(nèi)燒蝕殆盡。所以這是不可行的。

然而如果用反推裝置，就需要大量的燃料，這些燃料從何而來(lái)呢？當(dāng)然只能靠宇宙飛船在發(fā)射時(shí)攜帶，但是這些額外的燃料本身又很重，這就需要更多的燃料來(lái)提供發(fā)射時(shí)的動(dòng)力……以航天器目前的載荷能力，這同樣是不可行的。

所以目前我們所采用的方法只能是：先讓宇宙飛船在大氣層中穿行一大段距離，利用空氣的阻力來(lái)為其降速，當(dāng)速度降低到一定的程度時(shí)，再利用減速傘和反推裝置為其進(jìn)一步降速，并最終讓宇宙飛船安全降落到地面上。

（林一摘自微信公眾號(hào)“魅力科學(xué)君”，Raven圖）