现阶段,无论是载人飞船,还是货运飞船,它们都是用火箭送入太空中。当太空飞船执行完任务之后,它们是如何返回地球的呢?
当太空飞船返回时,它们会受到地心引力的作用而向下加速。但同时,稠密的大气层会让太空飞船减速。总得来说,太空飞船返回地球时是减速的过程,而非加速落到地球上。
再入大气层
根据牛顿力学可知,地球的第一宇宙速度为7.9公里,这是太空飞船的最大轨道速度。随着轨道高度的增加,轨道速度会逐渐下降。载人飞船的轨道高度一般为400公里,对应的轨道速度约为7.7公里/秒。如此巨大的动能,太空飞船没有足够的燃料来使自身减速,只能依靠地球稠密的大气层来减速。
太空飞船在轨道上先启动火箭发动机进行制动,使它能够脱离原来的轨道,并在地球引力的作用下再入大气层。一般来说,100公里是太空分界线。太空飞船再入大气层的方式有很多种,例如,弹道式、跳跃式、滑翔式,无论哪一种都是利用空气阻力进行减速。
在太空飞船再入大气层的过程中,由于飞船前方的空气被强烈压缩(而非飞船与空气剧烈摩擦),导致飞船外表的温度大幅度升高至1000度以上。为了保证飞船的安全,需要采取措施来应对这种高温。
飞船如何应对高温?
我国的神舟载人飞船系列会在飞船外表涂上一层烧蚀材料,它们在高温的作用下会被烧毁,脱离飞船,从而带走大量的热量。美国宇航局(NASA)的航天飞机则是采用隔热瓦,机腹覆盖着隔热陶瓷,机翼和机鼻上安装的是碳-碳复合材料,其余机身使用其他隔热材料。
隔热材料对于太空飞船的安全返回起到至关重要的作用。在2003年,NASA的哥伦比亚号航天飞机升空时,由于外挂燃料箱上的泡沫掉下来击中机翼,打穿了机翼上的一块隔热瓦。当哥伦比亚号航天飞机返航时,炽热的气体从机翼上的破洞大量涌入,导致航天飞机解体,机上的7位宇航员全部遇难。