当宇宙飞船返回地球时,为什么要不惜燃烧代价,高速穿过大气层?
航天员的使命不仅是完成太空飞行,还要确保自己能够平安的回到地球。因此,航天员最危险的时刻并不是在太空飞行的过程中,而是穿越黑障区的时候,也就是宇航员在火箭返回大气层的时候。在这个时期,火箭会以每秒7.9千米的速度高速飞过太空,在这几分钟时间里,航天员与地面指挥室失去联系,火箭周围的空气被加热,外面的空气也被加热,外表会瞬间被烧得通红。
为了让宇航员安全着陆,这是必须经历的一个步骤。
但是宇航员能不能多熬四分钟,能不能多坚持四分钟的时间?
难道就没有其他方法能够让返回更加的安全一些吗?
黑障区的危险。
黑障区是太空飞行中的一项极端考验,这一阶段是飞行任务最后一个阶段,也是最关键的一个阶段。黑障区位于地面以上50千米到70千米的大气层范围内,气体在这个高度被太阳紫外线电离,形成一层浓烟,皆因气体电离,所以是黑色的,所以才称之为“黑障区”。在这个高度,空气非常稀薄,同时因为空气的密度较小,所以物理也较少,所以经常被称为太空的开始。但是,正是因为空气稀薄,在这个高度进行飞行需要克服更大的困难。
因此,黑障区是太空飞行任务最后一个最关键的阶段也是极限挑战。因为气体较少,所以热传导会非常的慢,等离子体和火焰会消散很快,所以在黑障区内是没有的。但是,黑障区下方却是地球上最大的火焰,这种巨大的火焰同样会对回地球的飞船产生很大的威胁。在黑障区,火箭每秒钟以7.9千米的速度飞行,如果没有火箭,小车等飞行器笼罩着超厚的隔热材料,那么飞行器的表面会被高温的气体烧成一团火。
飞船进入黑障区之前,它的速度非常的快,以每秒11千米的速度飞行,由于摩擦力增强,使得外壳变红,慢慢的,它的速度会减小。
势能转化为动能,火箭下降的速度变慢了,这时,它的速度大约会在每秒7.9千米。
在进入黑障区之前,天空都是晴空万里,可是进入黑障区之后,飞船四周却是一片漆黑,因为空气稀薄,所以速度越快,空气的压力也越大。
并且高速飞行的飞船会撞击到大量的空气分子,因此空气会被压缩,高温的等离子体会产生很多。
这个等离子体就像一个巨大的电磁屏蔽板,会把所有的电波都给挡在外面,使得内部和外部联系的通路全部中断,这时,飞船就成了一艘孤船,与指挥室失去了联系。
航天员在这段时间里,要对飞船上的各种仪器进行检查,防止与指挥室失联时,飞船出现故障。
在黑障区的这段时间里,飞船会被外面的空气烧的通红,外面的空气同样会被加热,并且形成一个类似于泥浆的气体,因为它们速度太快,没有时间来散开,因此只能留在那里。
但是飞船需要以每秒7.9千米的速度飞行,因此它只能往前面飞,这时就会发生摩擦,生成高温。
飞船只有熬过这四分钟的时间,才能进入大气层,由于大气层的厚度很大,飞船是无法直接落到地面的,所以必须要采取一系列的降低高度的措施。
为了让飞船更好的控制速度,须要使用“电推力系统”。
船上一共有48个推进器,从火箭进入大气层之后,一共要进行9个方向的改变飞行轨迹。
返回舱的特殊降落伞系统。
除了使用电推力系统进行降低速度之外,还需要使用一个特殊的降落伞系统。
没有降落伞的话,飞船从进入大气层的时候,速度就已经非常的快了,如果飞船不采取措施,那么飞船的速度可能会多达500米每秒,就会像一颗流星体一样,瞬间从高空划落到地面,飞船也会因为摩擦而燃烧起来,这个时候,就算飞船的外面包裹着很厚的隔热材料,也抵挡不住这么大的热量,这样,飞船就会被烧毁,宇航员就会葬身在火焰中。
因此,飞船必须使用降落伞来减缓速度。
飞船上一共有三个降落伞:引导伞、减速伞和主伞。
它们的作用就像是在高速行驶的车上使用“刹车”,不能一下子将车速降到0,否则会发生汽车轮子的危险,必须要慢慢的来。
引导伞是最先打开的降落伞,它不是为了减缓飞船的速度,只是为了对飞船进行方向上的调整。
飞船上有很多传感器和降落伞,其中,有一个高度传感器,它的作用就是将飞船离地面的高度传递给计算机。
飞船在高空会受到气流的影响,飞船的飞行轨迹不可能一直是稳定的,可能会发生一些小的抖动,飞船的速度也是不可能一直是恒定的,加速度也不可能是0。
因此,飞船上面一定会有一些可以进行测量的仪器,而这些测量仪器就是飞行参数传感器,它们会将飞船在高空的飞行参数,比如高度、速度、加速度等,传递给计算机。
计算机会根据这些飞行参数,对飞船的飞行轨迹进行调整,使其尽量的稳定,不发生靠近地面的情况。
当飞船高度降到2000米的时候,就是减速伞开始发挥作用的时候了。
减速伞和引导伞一样,都是为了对飞船进行调整飞行轨迹,但是减速伞本身的面积更大,能够产生更大的空气阻力。
当飞船的速度大于300米每秒的时候,减速伞就会自动打开。
如果飞船的速度不够快,减速伞就不会打开。
主伞是为了减缓飞船的速度,同样是将飞船高空的速度减慢。
如果飞船的速度大于300米每秒,主伞就不会打开。
飞船的速度将会一直减慢,直到减速到300米每秒的时候,主伞就会自动打开 。
飞船上还有计算机,它也是发挥着非常重要的作用的。
在飞船进入大气层之后,飞船上的电磁屏蔽板会打开,在内部和外部的空气进行通讯,同样,外部的空气会被加热,电磁屏蔽板失去作用。
不调整返回方式的原因。
那么,宇航员到底能不能多熬四分钟?
针对这个问题,一方面,是反向加速非常困难,另一方面,是飞船能承受这个温度。
因为高空的空气稀薄,所以宇航员在这个时期与指挥室失去了联系,飞船本身是没有办法与地面的指挥室进行联系的,只能等到飞船进入大气层之后,所以在这个时期,飞船周围的空气就变成了“电磁屏蔽板”,当电波没有办法透过去,指挥室就与飞船失联了。
同时,飞船的表面也变红了,这是因为高速行驶的飞船与空气发生摩擦产生的高温。
飞船的速度达到每秒7.9千米,当飞船的速度降到300米每秒的时候,主降落伞就会打开,然后飞船的速度就会进一步减慢。
认为,按照这个速度,飞船会烧的更多。
顶部的引导伞将无法承受这么大的力,可能烧掉,或者烧穿,甚至烧断。
当引导伞不翼而飞的时候,飞船就不会进入大气层中,降落伞也不会打开。
走下去,宇航员就会成为太空游荡的人,或者永远消失在黑障区的尽头。
因此,飞船的引导伞的材质必须要能够抵御极高的温度,隔热材料方面还有待研究。
那,为什么不改变飞船的返回方式呢?
在进入黑障区之前,飞船需要使用向后的火箭引擎,让它的速度降的更快。
通过改变火箭的速度,可以改变它进入大气层的角度,使它能更加缓慢的进入大气层,摩擦力就会小很多,气温就会降下来。
但是,反向加速也是一件很困难的事情。## 结语
那么,能不能提前打开降落伞呢?
我们首先要知道,宇航员从太空中返回到地球上的最高速度是每秒11千米。
这个速度是飞船进入大气层会受到摩擦力的最大速度,受到最大的摩擦力,飞船会飞到距离地面80千米。
如果飞船以“八百里加急”的速度穿越大气层,那么,高空的气压会对飞船产生很大的危险。
同时,飞船的引导伞也不一定能承受住这么大的力,可能会烧掉,或者烧断。
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