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“流星”和“航天器”,在空气中穿梭的勇者

流星雨,一直是宇宙中浪漫而神秘的存在,许多人都期待着亲眼目睹流星划破天际的美景。一般到了年底,能观测到的流星雨还有很多,比如11月份的猎户座流星雨,以及12月份的双子座流星雨等等。

大家在观赏这些流星雨的时候有没有想过一个问题:流星为什么会发热、发光呢?

美丽迷人的流星雨(图片来源:veer图库)

很多人可能以为,流星的光是由于陨石进入大气层和大气层的空气摩擦生热而引起的,其实这样说在很大程度上是不对的。事实上,陨石在进入大气层后所产生的热量大部分都是由于空气的压缩而产生的,摩擦空气产生的热量只是很小的一部分。陨石压缩空气产生的热量最终使陨石燃烧发光,形成昙花一现的流星,大多数陨石最终也在高温下燃烧殆尽。下面我们来解说一下这个过程。

陨石在进入大气层后,压缩了它前面的空气,使得陨石前面的空气温度迅速升高至几千度,然后点燃了陨石,从而使陨石发光变成了我们可以看见的流星。也就是说,是压缩空气成就了流星的凄美“绝唱”,而不是摩擦空气。

陨石进入大气层后,最先燃烧的是陨石前端空气被压缩最厉害的部分(图片来源:https://sputniknews.com/science/201804291064008986-five-asteroids-heading-past-earth-today/

压缩空气为什么会产生大量的热量呢?这其实和能量守恒定律有关系。当陨石进入大气层时,速度是非常快的(通常是几十千米每秒),这时陨石前部的空气无法快速地被“挤到”陨石周围,因此会被迅速压缩。根据能量守恒定律,对气体压缩所做的功会转为气体的内能,进而表现为气体温度的升高。

这种现象在日常生活中很常见,例如我们用打气筒给轮胎打气,由于我们在压缩气体做功,打气筒内的空气温度会升高,因而打气筒会发热。同理,由于陨石前部的空气被压缩的非常厉害,因此温度也会升的非常高,通常会在2000摄氏度左右,在这么高的温度下,大多数陨石都会被烧毁,地球上的生命也因此得到了有效的保护。

当然,还是会有极少数比较耐燃的陨石在未燃烧完就降落到了地球,这就是我们在各种航天博物馆里见到的陨石了。这种陨石一般都十分稀少,是十分宝贵的科学研究材料。

对于各种人造航天器(包括人造卫星、载人飞船,甚至是空间站等)返回大气层时发光发热,原理和陨石其实是相近的,它们的压缩空气的效率甚至比陨石还高。这里我们就用载人飞船的返回舱来举例说明。载人飞船返回舱的形状一般都如下所示:

阿波罗登月飞船的返回舱(图片来源:http://www.pinsdaddy.com/apollo-command-module-model_3Zsivj3AOYNXNR0BgInRlmH9JmWQBRPkGA8FmDvWHbQ/

或者是这样的:

神舟十号载人飞船返回舱(图片来源:人民图片网,方阳摄)

尽管在细节上可能有所不同,但它们的样子都是大同小异――上小下大,并且下面是一个很钝的平面。这样的钝形平面能保证被压缩的空气产生的热量主要集中于航天器钝形一面,而不会流失到航天器后面,从而有效的保护后面的航天员或者其他科学设备。因此,现在任何的载人航天器的返回舱都被设计成钝形的。在返回舱返回大气层时,它的受热情况大概如下所示:

返回舱压缩空气示意图(图片来源:https://www.quora.com/Why-does-a-spacecraft-heat-up-during-reentry

可以看出,它的热量主要集中在前部,因而处于后面的航天员就得到了有效的保护。当然在返回舱进入大气层后会和大气层产生摩擦,肯定也会产生一部分热量,但是这部分热量和压缩空气所产生的热量相比是微不足道的。另外,载人飞船的返回舱的外壳是由防火耐高温的材料制作的,因此不会像陨石那样燃烧起来,但是高温还是会把返回舱的外壳烤焦。

如下图所示的我国神舟号载人飞船的返回舱,大家可以和上图进入太空前的返回舱对比一下,就会发现这个是被“烤焦”了的返回舱。

返回地球后的神舟号返回舱(图片来源:https://commons.wikimedia.org/wiki/Shenzhou

对于其他的一些不耐燃的航天器,尽管形状和返回舱不一样,但是原理几乎都是一样的。进入大气层后,经过一段时间,由于压缩空气产生的高温,整个航天器都会燃烧起来。例如前苏联的“和平号”空间站和中国的“天宫一号”空间站坠毁的时候大部分部件都在大气层中被烧成灰烬了,只有一小部分散落在了太平洋。

可能有的同学会问,为什么航天器在离开地球时不会发热?原理其实很简单,因为各种航天器(包括载人飞船,空间站,卫星等等)离开地球时都是通过火箭来运载的,火箭的形状是流线型的,很容易“挤开”前进方向的空气,而摩擦产生的热量相对来说又很小,因此火箭在离开地球时并不会经历很高的温度考验。

长征系列火箭,可以看出火箭都有尖尖的头部,目的之一就是为了更好的排开运动方向的空气,减少阻力(图片来源:http://calt.spacechina.com/n482/n498/index.html

当然,我们也可以用火箭来对返回地球的返回舱进行减速,但是那样就意味着双倍的燃料,这不但增加了发射的费用,而且会严重降低火箭的有效负荷,是一项费力不讨好的举措。况且,大自然已经给我们提供了――大气层――这么好的免费“刹车器”,为什么不去用呢?