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航天员任务结束返回时,返回舱会与大气层剧烈摩擦,就不能慢点吗?

 学术荟萃

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讨论这个问题之前首先要明白航天器返回地球的过程,可简单描述为:逆向点火减速并调整姿态,进入再入轨道;其余各模块分离,返回舱进入大气层摩擦与减速;打开降落伞,抛弃热防护罩;缓冲着陆。其中,返回舱在大气层中,会剧烈摩擦产生大量的热,称为气动加热,这是现阶段不可避免的,不能用减速等方法来解决,原因如下:

一方面由于返回舱的着陆地点都是经过复杂且严格的计算的,其中返回舱的速度与其返回地球上的飞行轨迹密切相关,而使用逆向推进器使航天器减速是难以控制的,因此过度减速可能会导致速度偏离预值进而航天器无法顺利进入大气层,甚至可能偏离轨道或反弹回太空,造成任务失败。

另一方面,由于航天器在轨道上运动的速度,也就是开始反向制动时的初速度较大(如许多在近地轨道飞行的人造卫星或空间站速度约在7.6-7.8km/s左右),再加上地球存在很大的引力,使航天器返回时向下的加速度较大,因此想要靠逆向推进器使航天器达到减速以致落地目的所需的燃料是难以估计的!由于空间限制,航天器一般很难携带这么多燃料。相反的是,返回舱在大气中摩擦洽洽正是其减速的主要来源,快速通过大气层可以有效消耗返回舱的动能,进而后续安全落地。

因此,比起减速来减少气动加热产生的热量,使用由耐高温的材料做成的、具有冷却功能的热防护系统,明显是更实际有效的方法,这也是各国科学家们正在使用的方法。实际上在大气层中,返回舱表面的分子还会因为气动加热产生的超高温度(可达1000°C以上)而分解或电离,在舱表面形成一个等离子层,其严重影响了电磁波的传播,因此在此阶段下,返回舱与地面是失联的,这个失联区域被被称为“黑障区”,高度一般在40到90km。“黑障区”问题与气动加热产生高温一样,都是现阶段无法彻底解决的问题。

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