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神舟十二号成功着陆地球!为何飞船返回时会燃烧,升空时却不会?

激动人心的时刻!就在刚才,神舟十二号返回舱载着聂海胜、刘伯明、汤洪波三位航天员,成功降落在东风着陆场!三位航天员在中国空间站上生活了长达三个月,创造了我国航天员在太空中飞行最长时间的纪录。至此,神舟十二号载人飞行任务宣告圆满完成,我们终于等到三位老帅哥回地球一起欢度中秋佳节。

从前方发回的图像可以看到,神舟十二号返回舱的外壳已经烧得黑乎乎的,它在返回过程中经历过高温燃烧过程。而在3个月前,神舟十二号发射升空时,外壳并没有被烧过。那么,神舟十二号载人飞船同样穿过大气层,为什么返回地球时会燃烧起来,而升空时却不会经历这样的过程呢?

神舟十二号发射升空

3个月前,长征二号F运载火箭点火,芯一级火箭和四枚助推器喷射出强大的烈焰,托举着神舟十二号载人飞船,克服地球引力,拔地而起,冲上蓝天。随着燃料快速消耗掉、助推器分离、一二级火箭分离等过程,火箭的重量迅速下降,火箭加速度变得越来越高,飞行速度也在快速增加。

但由于地球大气层十分稠密,火箭加速很困难。因此,火箭升空前期的飞行速度不会很快,它与空气之间的相互作用也不会很剧烈,气动加热效应不会很显著。虽然火箭的外壳也会升温,但还不至于让外壳燃烧起来。

在整流罩的保护下,载人飞船在升空时不会接触到太多的热量,可以确保安全。高度为100公里的卡门线被视为大气层与外太空的分界线,在卡门线之下,火箭的速度不到每秒3公里,这样的速度不足以让火箭外壳温度变得非常高。

到了卡门线之上,大气已经变得非常稀薄,火箭正式进入太空。此时火箭不再会受到气动加热效应的影响,整流罩将会分离,载人飞船直接暴露在太空中。由于太空中阻力很小,火箭很容易把飞船加速到第一宇宙速度,即7.9公里/秒。

神舟十二号返回地球

在完成各项任务之后,三位航天员乘坐神舟十二号载人飞船与空间站进行分离。载人飞船由三个部分组成,分别是推进舱、返回舱和轨道舱,三位航天员待在返回舱中。

在飞船返回时,轨道舱先会被抛离,它独自留在太空中继续绕地球飞行。然后,推进舱、返回舱组合体调转方向,让推进舱朝向前方,推进舱再启动火箭发动机,对飞船进行“刹车”。于是,飞船的轨道从圆形变成抛物线,与地球有交点,它正式踏上返回地球的轨道。

在地心引力的作用下,飞船自由滑翔下落。待到距离卡门线45公里时,也就是距离地面145公里时,推进舱在大气层外被抛离。然后,返回舱调整好姿态,让防热大底朝着下方,以大约1.6度的再入攻角冲进大气层中。

接下来,返回舱将会经历整个任务最为惊险的阶段。返回舱以每秒7.9公里的极快速度再入大气层中,其底部会强烈压缩空气,飞船的巨大动能转化为空气的巨大热能,使得空气温度变得非常高。飞船接触这样的高温空气之后,温度会上升至1600 ℃。另外,飞船与空气的直接摩擦作用,也会产生一些热量。

为了应对强大的气动加热效应,返回舱外层涂上了烧蚀材料。它们经过燃烧之后,会从飞船上剥离,同时带走大量的热量,使返回舱的温度维持在正常水平,从而确保里面航天员的安全。

在这个阶段,返回舱被高温等离子体所包裹,使得无线电波通信发生中断,飞船进入“黑障区”之中。此时,舱内的航天员透过舷窗,可以看到外面烧得通红,不断有碎片在窗外快速划过,场面蔚为震撼。

飞船在这个阶段会面临巨大的风险,一不小心就有可能发生灾难性的意外。2003年,美国宇航局(NASA)的哥伦比亚号航天飞机再入大气层时,因为过热而发生解体,机上7名宇航员全都不幸遇难。

原因是哥伦比亚号在发射升空时,外储箱上的一块泡沫掉下来,击中左侧机翼,把机翼上防热的碳-碳复合材料板砸出一个十几厘米宽的破洞。航天飞机在飞上太空时,由于在稠密大气层中的飞行速度不快,产生的热量很有限,所以安然无恙。但在重返大气层时,大量1600 ℃的高温气体涌入机翼破洞,导致整架航天飞机在空中解体,造成“机毁人亡”的惨烈航天事故。

经过4分钟的艰难飞行,神舟十二号返回舱穿过黑障区,速度和温度都得到大幅度下降,通信恢复。当飞船降落到距离地面10公里的高度时,降落伞会打开,防热大底也会被抛离。待到高度下降至1米时,返回舱的反推火箭发动机启动,让返回舱最终能够安全着陆。

总之,神舟十二号的返回过程可谓是危险重重,飞船和航天员都经受住了严峻的考验。我们终于等到了三位航天英雄,让我们一起热烈欢迎他们回家。