火箭发射卫星的时候穿过大气层没有因为摩擦燃烧,而返回时却因为摩擦燃烧了,为什么?

题目所说返回应该指载人航天器、货运飞船、返回式卫星、报废航天器、失控卫星及碎片、火箭残留物及流星体等的再入大气层。这有四个原因。

第一,火箭发射卫星时,卫星有整流罩保护,返回时则没有。

整流罩有特殊的防热设计(采用高强度、轻质、耐高热的材料)。整流罩保护着卫星走出浓密大气层后才抛掉。
而卫星、流星体返回时却没有任何防护罩或其它防护措施(返回式卫星和载人航天器除外),直接裸露着和大气摩擦压缩,所以温度上升很高,引起燃烧。

第二,火箭发射卫星是逐渐加速的,开始时相对于地球的速度是静止的,而返回时速度却非常高。


发射过程中火箭的动力还要克服地球引力,所以加速相对缓慢,当穿过大气层(指浓密大气层)时,卫星的速度通常只有每秒3公里左右,在整个大气层中的速度相对较低。而卫星、流星体等返回时初速度都不低于每秒7.9公里,在地球引力的作用下,速度越来越大,有些流星进入大气层落到地面之前,速度大小能达到每秒20――50公里,大于第三宇宙速度。在和大气强烈作用下温度变得极高,引起燃烧。

第三,是因为飞行路线的设计不同。这也是因为往返飞行特点和任务要求的不同决定的。

为了尽可能快点离开大气层,减少和大气层的作用时间,火箭发射卫星时往往采用垂直发射,

尽可能走最短距离的大气层。所以温度相对升的较低。而卫星(特别是载人航天器)返回时速度很高,为了充分利用大气阻力减速,飞行路线往往选择沿着地球表面弧形坠落,类似于平抛运动的路径,路程往往达几万公里。我国探月工程三期再入返回试验器甚至采用弹跳式两次再入大气层方式返回。

这样可以长时间长距离在大气层中利用大气阻力减速,这样虽然和大气作用时间长,导致温度较高,但好处是在降落地面前能把速度有效降下来,可以节省大量燃料,也避免把飞行器摔坏,另外速度降下来,温度也不会升的过高,所以综合考量采用这种路线返回较好。总而言之,上升时是为了减少热量,而下降时主要是为了有效降速,两者任务要求不同,所以路线设计不同,因而对温度的影响不同。

第四,因飞行要求的不同设计,造成火箭发射和飞行器返回的空气动力差异。

讲这个原因之前,先科普或厘清一点知识:摩擦生热的道理并不完全适用于物体在大气层的下落,也就是说飞行器高速下落时发热的主要原因不是空气和飞行器的摩擦产生的,而是飞行器运动方向上迎着空气的那一面以极高速度压缩空气造成的,这个速度能达到60马赫以上,是飞行器的机械能转化为被压缩空气的内能。


这就象打气筒的下部发热是一个道理,是下部腔内的空气被压缩而发热,不是摩擦发热。下面讲一下第四个原因:因飞行要求的不同设计,火箭发射时火箭顶端的整流罩都设计成接近尖形且非常光滑,就是尽量避免压缩空气和减少空气摩察生热。

而飞行器返回时为了尽快有效减速,充分利用空气阻力,在进入大气层时往往用飞行器的大面向前压缩空气(和第三个原因中讲的让返回舱尽可能长距离长时间处于大气层减速方法共同配合。),因而温度变得十分高。神舟载人飞船返回舱返回时大底面朝前快速划过大气层,象一个火球。

实际上据专家说,返回舱大底面燃烧可以起到有效防热的效果,保护航天员。这是我们科学家故意的设计,表面涂沫一层易燃涂层有意让它燃烧。所以看起来象个大火球在燃烧。当然流星体和卫星碎片是真燃烧。

以上就是发射不燃烧,而返回燃烧的原因。

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