火箭發(fā)射衛(wèi)星的時(shí)候穿過(guò)大氣層沒(méi)有因?yàn)槟Σ寥紵祷貢r(shí)卻因?yàn)槟Σ寥紵耍瑸槭裁矗?/h1>
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航天器在大氣中摩擦燃燒需要在很高的速度條件下才會(huì)發(fā)生 ， 從研究?jī)蓚€(gè)質(zhì)點(diǎn)在萬(wàn)有引力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律出發(fā) ， 人們通常把航天器達(dá)到環(huán)繞地球、脫離地球和飛出太陽(yáng)系所需要的最小發(fā)射速度 ， 分別稱為第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度 。第一、二、三宇宙速度分別為7.9km/s ， 11.2km/s ， 16.7km/s 。單級(jí)火箭前進(jìn)的最大速度是4．5公里／秒 ， 比如中程彈道導(dǎo)彈；多級(jí)火箭的速度可達(dá)到第一宇宙速度7.9公里/秒（物體繞地球作圓周運(yùn)動(dòng)的速度）和第二宇宙速度11.2 公里/秒（擺脫地球引力束縛 ， 飛離地球的速度） ， 比如洲際彈道導(dǎo)彈 。下圖為正在返回地面的獵鷹九號(hào)運(yùn)載火箭 ， 它在到達(dá)第一宇宙速度之前就與二級(jí)火箭分離并返回地面 ， 因此不會(huì)與空氣發(fā)生摩擦燃燒 。
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當(dāng)物體在稠密大氣中作超音速飛行時(shí) ， 受激波與物體間高溫壓縮氣體的加熱和機(jī)體表面與空氣強(qiáng)烈摩擦的影響 ， 物體表面的溫度會(huì)隨馬赫數(shù)(1馬赫=1倍音速)的提高而急劇上升(這就是"音障"中的"熱障") 。飛行馬赫數(shù)為 2.0時(shí) ， 溫度會(huì)略超過(guò)100℃ 。而當(dāng)馬赫數(shù)等于3.0時(shí)(在低層大氣 ， 這個(gè)速度是1020m/s) ， 表面的溫度則升至350℃左右 。火箭蒙皮所使用的鋁合金材料的熔點(diǎn)在660℃以上 ， 碳纖維復(fù)合材料的燃點(diǎn)為800～1500℃ ， 高性能碳纖維復(fù)合材料則能承受2000～3000℃高溫的燒灼 。而運(yùn)載火箭從起飛加速到逃離地球引力束縛的速度僅為第一宇宙速度的7.9公里/秒 ， 而且從靜止?fàn)顟B(tài)加速到這個(gè)速度需要飛行200～300秒 ， 當(dāng)達(dá)到第一宇宙速度時(shí)運(yùn)載火箭早已飛離稠密的大氣層 ， 沒(méi)有大氣的摩擦自然也就不會(huì)再發(fā)生燃燒了 。下圖為正在升空的美軍“三叉戟”潛射彈道導(dǎo)彈 ， 它需要數(shù)百秒的時(shí)間加速到第一宇宙速度 。
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洲際彈道導(dǎo)彈能達(dá)到超過(guò)8000公里射程的原因就在于彈頭與火箭分離時(shí)就已經(jīng)獲得7.9公里/秒的相對(duì)速度 ， 即第一宇宙速度 ， 這個(gè)速度是是音速的20被 ， 即20馬赫 。當(dāng)彈頭從太空軌道重返大氣層時(shí)便以這20馬赫的速度與空氣摩擦產(chǎn)生近1600℃的高溫 ， 進(jìn)而發(fā)生高溫燃燒 。航天器在大氣中發(fā)生摩擦引起機(jī)體表面溫度急劇升高而遇到的障礙就叫做“熱障” 。處于“熱障”狀態(tài)下的航天器將無(wú)法接收外界電磁波 ， 航天器在這個(gè)狀態(tài)的飛行階段屬于悟空飛行 ， 這也是反航母彈道導(dǎo)彈只能攻擊停靠碼頭的航空母艦的原因 。下圖為美軍曾經(jīng)裝備的“黑鳥”高空高速偵察機(jī) ， 該型飛機(jī)能以3馬赫的高速在2～3萬(wàn)米的高空飛行 ， 為克服機(jī)體承受的近350℃熱障 ， “黑鳥”因采用抗“黑障”設(shè)計(jì) ， 機(jī)體在起飛前會(huì)一直漏油 ， 起飛后速度達(dá)到3馬赫以后機(jī)體拉伸 ， 流油現(xiàn)象停止 。
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為了克服“熱障” ， 科學(xué)家們研發(fā)出各種耐高溫復(fù)合材料運(yùn)用于返回式的航天器上 ， 包括彈道導(dǎo)彈的彈頭蒙皮 ， 耐高溫復(fù)合材料也成為制約許多國(guó)家發(fā)展尖端國(guó)防技術(shù)的主要因素 。比如朝鮮在發(fā)展洲際彈道導(dǎo)彈時(shí)就受到了這個(gè)因素的嚴(yán)重制約 ， 使其只能發(fā)展出高拋低射的圓頭型導(dǎo)彈彈頭 。因此通過(guò)觀察彈道導(dǎo)彈的彈頭外形就能判斷出這個(gè)國(guó)家的航天技術(shù)水平 。下圖為朝鮮導(dǎo)彈部隊(duì)裝備的“火星-15”洲際彈道導(dǎo)彈 ， 它的彈頭為橢圓形 ， 說(shuō)明朝鮮還沒(méi)有掌握高性能復(fù)合材料技術(shù) ， 其水平只相當(dāng)于我國(guó)的第一代洲際彈道導(dǎo)彈——東風(fēng)-5B 。
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火箭發(fā)射衛(wèi)星的時(shí)候穿過(guò)大氣層沒(méi)有因?yàn)槟Σ寥紵?nbsp;， 而返回時(shí)卻因?yàn)槟Σ寥紵?nbsp;， 為什么？
這是個(gè)很有意思的問(wèn)題 。不知道大家發(fā)現(xiàn)沒(méi)有 ， 在地面上我們發(fā)射一個(gè)火箭 ， 在它穿越大氣層的時(shí)候 ， 基本上看不到箭體燃燒 。而當(dāng)火箭的返回艙從外太空回來(lái) ， 在穿越大氣層時(shí) ， 會(huì)看到艙體表面像燃燒了一樣 ， 形成一個(gè)大火球墜向地面 。那么 ， 為何火箭都是穿越大氣層 ， 在穿越的過(guò)程中為什么會(huì)表現(xiàn)出不一樣的情形呢？
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在回答這個(gè)問(wèn)題之前 ， 需要先闡明一個(gè)問(wèn)題 ， 那就是物體在高速狀態(tài)下發(fā)熱甚至燃燒的原因 。在一般情況下 ， 一個(gè)物體在快速運(yùn)動(dòng)時(shí) ， 只要不是處于絕對(duì)真空的狀態(tài) ， 那么它勢(shì)必會(huì)與周圍的環(huán)境空間產(chǎn)生摩擦 ， 比如 ， 火車車輪與鐵軌之間、飛機(jī)與空氣之間等等 ， 在摩擦力的作用下 ， 使得一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能釋放出來(lái) ， 從而提升物體表面的溫度 ， 這是一種通常情況下的摩擦生熱 ， 在較高運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的火箭 ， 在穿越空氣中也會(huì)或多或少存在這種現(xiàn)象 。
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不過(guò) ， 還存在一種熱能轉(zhuǎn)化的情況 ， 并非完全是由摩擦力做功產(chǎn)生的 ， 而是由于對(duì)周圍氣體的壓縮所產(chǎn)生 ， 比如我們用密閉性很好的氣筒打氣 ， 氣筒的承壓部分過(guò)一會(huì)兒就熱起來(lái) ， 這個(gè)熱量的產(chǎn)生 ， 并非全是由活塞和筒壁的摩擦造成的 ， 恰恰相反 ， 摩擦生熱的占比只是很小一部分 ， 更多的熱量是由空氣的壓縮所致 ， 空氣的內(nèi)能在巨大的壓縮比下轉(zhuǎn)化為分子的動(dòng)能 ， 在空氣分子的相互碰撞下又轉(zhuǎn)化為熱能 。
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明白了上述道理 ， 我們就能解釋火箭發(fā)射時(shí)看不到燃燒、而返回時(shí)卻能看到劇烈燃燒的第一個(gè)原因 ， 那就是返回時(shí)的速度更快 ， 對(duì)空氣的壓縮程度更高 。因?yàn)榛鸺诎l(fā)射時(shí)是從速度為0開(kāi)始的 ， 需要不斷地克服地球引力的作用 ， 是一種緩慢脫離的過(guò)程 ， 在穿越比較濃密的大氣層時(shí)速度只有2-3公里/秒之間 ， 相比較而言 ， 火箭的返回艙在返回地球大氣層時(shí) ， 一般都是先進(jìn)入轉(zhuǎn)移軌道 ， 然后再進(jìn)入繞地軌道 ， 其初始速度基本上都達(dá)到第一宇宙速度 ， 即7.9公里/秒 ， 有時(shí)還會(huì)與地球的公轉(zhuǎn)速度相疊加 ， 所以在進(jìn)入大氣層之后的“初始速度”是非常高的 。
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因此 ， 發(fā)射和返回時(shí)火箭的運(yùn)行速度差別很大 ， 在更高速度下 ， 火箭體有更大的幾率推動(dòng)前方空氣的劇烈壓縮 ， 在此過(guò)程中產(chǎn)生的巨大熱量 ， 在高速運(yùn)行過(guò)程中的輻射擴(kuò)散速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上能量轉(zhuǎn)化的速度 ， 因此火箭體前端的空氣分子被加熱到等離子狀態(tài) ， 氣動(dòng)加熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生向內(nèi)的強(qiáng)烈激波 ， 作用于火箭體的內(nèi)部 ， 一些結(jié)構(gòu)松散的結(jié)構(gòu)就會(huì)在強(qiáng)大的激波沖擊下裂解 ， 這也是一些高速?zèng)_入地球大氣層的隕石邊燃燒、邊爆炸裂解的原因 。
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相比較而言 ， 發(fā)射火箭時(shí) ， 由于速度是逐步提升的 ， 而且在空氣密度較大的下層空間時(shí) ， 火箭體的速度根本形成不了規(guī)模性、非常明顯的空氣等離子化和激波作用 ， 我們從外界就難以觀察到“燃燒”現(xiàn)象 。
第二個(gè)原因 ， 就是火箭發(fā)射時(shí) ， 為了保障所攜帶各種衛(wèi)星、設(shè)備和儀器的安全 ， 確保發(fā)射成功 ， 對(duì)火箭體特別是前端都做了特殊處理 ， 比如設(shè)置必要的整流罩 ， 具有超強(qiáng)的耐高溫、耐燒蝕等功能 ， 最大限度保障火箭有效載荷的完好 。而火箭在返回進(jìn)入到地球大氣層之后 ， 由于已經(jīng)運(yùn)行了很長(zhǎng)時(shí)間 ， 各種防護(hù)措施已經(jīng)非常缺乏了 ， 除非特殊情況需要保留部分儀器設(shè)備、相關(guān)采樣樣品外 ， 沒(méi)有非常有效的防護(hù)措施 ， 有時(shí)只能依靠吸熱、輻射、燒蝕的方式主動(dòng)去增加熱量的產(chǎn)生 ， 從而最大程度地實(shí)現(xiàn)降速 。
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第三個(gè)原因 ， 從火箭的運(yùn)行軌跡來(lái)看 ， 發(fā)射和返回也是截然不同的 。一方面 ， 發(fā)射時(shí)所經(jīng)過(guò)的大氣層空氣密度 ， 是越來(lái)越稀薄 ， 對(duì)箭體的摩擦和損壞是越來(lái)越小的 ， 返回時(shí)正好相反 ， 越靠近地面 ， 空氣密度越大 ， 摩擦效應(yīng)和激波效應(yīng)越強(qiáng)烈 。另一方面 ， 在火箭發(fā)射時(shí) ， 是要用盡可能地快速脫離地球大氣層的環(huán)境 ， 減少空氣的摩擦和無(wú)謂的損耗 ， 所以一般選擇垂直發(fā)射的方式 。但是返回時(shí) ， 要盡可能快帶地將“初始速度”降下來(lái) ， 減輕返回箭體在降落到地面時(shí)的沖擊 ， 所以要盡可能地加大返回時(shí)與空氣的接觸面積、延長(zhǎng)在大氣層中的穿越路程 ， 所以火箭返回時(shí)往往采用梯級(jí)跳躍即“打水漂”的方式 ， 最終呈現(xiàn)一種拋物線式的降落途徑 。
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綜上 ， 我們之所以看到火箭發(fā)射和返回 ， 在燃燒與否方面存在巨大的差異 ， 這是與火箭在前后兩個(gè)階段在運(yùn)行速度、空氣動(dòng)力學(xué)、功能設(shè)計(jì)、空氣密度變化等方面 ， 均有著明顯差異所共同作用的結(jié)果 。
其他網(wǎng)友觀點(diǎn)火箭發(fā)射衛(wèi)星的時(shí)候穿過(guò)大氣層沒(méi)有因?yàn)槟Σ寥紵?nbsp;， 而返回時(shí)卻因?yàn)槟Σ寥紵?nbsp;， 為什么？
答：因?yàn)榉祷嘏撌菑奶找缘诙钪嫠俣葟恼婵諣顟B(tài)進(jìn)入大氣層的、由于地球的引力會(huì)隨著高度以每秒11．2km的加速度向地球飛行 ， 隨著在天空飛行的時(shí)間變長(zhǎng) ， 越是加快速度 ， 越是受到大氣層的摩擦達(dá)1000多度就呈一團(tuán)火焰劃在空中 。這次嫦娥五號(hào)在返回進(jìn)入大氣層前用打水漂原理來(lái)個(gè)S狀??入大氣層再返上來(lái)減去第二宇宙速度11．2Km／S ， 降到第一宇宙速度為7．9Km／S就安全了 ， 否則會(huì)讓高溫把2kg月土燒變質(zhì) 。
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如果返回艙向地球腑沖時(shí)受到了空氣的阻力與返回艙的重力相等時(shí) ， 才被大氣阻住以原始速度下降 。
2020年12月17日1點(diǎn)鐘后預(yù)計(jì)嫦娥五號(hào)降落內(nèi)蒙古時(shí) ， 等待的人們會(huì)看到一道火球從南天空向北飛下 ， 當(dāng)返回艙有幾百米高度時(shí) ， 降落傘打開(kāi) ， 用空氣阻力將返回艙控制在一秒幾米的速度降落 。
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你問(wèn)為什么發(fā)射火箭時(shí)沒(méi)有燃燒 ， 因?yàn)樵诖髿鈱影l(fā)送火箭的速度是第一宇宙每秒不超7．9Km／S ， 加之地球引力 ， 這個(gè)速度不會(huì)將耐高溫的外殼造成摩擦燃燒的 ， 當(dāng)進(jìn)入真空會(huì)根據(jù)需要將多余的整流罩 ， 燃料捆綁件拋掉變輕了再點(diǎn)火加速度就可以第二宇宙速度飛向月球.或者以第三宇宙速度飛向火星 ， 總之奔向地球外的星球視距離而加速才能擺脫引力甩出軌道進(jìn)入探測(cè)的星球 。
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綜上所述 ， 真空中沒(méi)有空氣阻力加速度不會(huì)摩擦燃燒 ， 而進(jìn)入地球大氣層因加速度超過(guò)了發(fā)射速度達(dá)16．7Km／S ， 就有大氣阻力而產(chǎn)生摩擦 ， 其產(chǎn)生的高溫與進(jìn)入大氣層的初始速度隨時(shí)間成正比而加速度的 。
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【火箭發(fā)射衛(wèi)星的時(shí)候穿過(guò)大氣層沒(méi)有因?yàn)槟Σ寥紵祷貢r(shí)卻因?yàn)槟Σ寥紵耍瑸槭裁矗俊?/strong>謝謝你的閱讀
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