火箭发射时没有因为摩擦空气燃烧,返回时却燃烧了,这是为什么?

飞行器(载人航天器、货运飞船、返回式卫星、火箭残留物等)返回时像一团火球一样熊熊燃烧,很多人都认为是飞行器与空气摩擦导致的燃烧,其实是不对的(www.fasang.cn)。

飞行器燃烧

我们从地面上发射一颗火箭,当它穿越大气层的时候,基本上看不到箭体燃烧。然而当飞行器从外太空返回穿越大气层的时候,人们就会看到舱体表面剧烈燃烧,像一颗耀眼的流星一样划破天空。那么,同样是穿过大气层,为什么去程和回程时的状况却大不一样呢?

第一、发射和返回时的速度不一样,压缩空气产生的热量也不一样。

飞船返回大气层

首先我们要说明一点,飞行器在高速状态下确实会与空气发生摩擦,摩擦当然会产生热量。但是导致飞行器燃烧的热量却绝大部分来自于被压缩的空气,空气内能在巨大的压缩比下转化为分子动能,在空气分子的相互碰撞下又转化为热能。我们举个例子,日常生活中常用的打气筒,打几次气以后筒体就会发热,这个热量就主要来自筒内被压缩的空气。

打气筒演示

火箭从地面发射时的速度是逐渐加速的,穿越大气层时的速度也就在2-3公里/秒之间。飞行器从太空进入大气层时的速度则是第一宇宙速度,即7.9公里/秒。两者差异巨大,火箭发射时对空气的压缩不剧烈,产生的热量不足以使箭体燃烧。飞行器返回时就完全不一样了,在第一宇宙速度的推动下,飞行器会剧烈压缩前方的空气,从而产生巨大的热量,热量无法瞬间扩散,就会导致飞行器外壳剧烈燃烧。

陨石解体

而且,在压缩和加热过程中还会产生强烈的激波,作用于飞行器内部,一些结构松散的飞行器承受不住巨大的激波冲击,就会在空中解体,比如一些进入大气层中的陨石一边燃烧一边解体。

第二、火箭在发射时和返回时的运行轨迹不一样。

飞碟

火箭在发射时是从下往上走,大气密度越来越低,产生的压缩效应就越来越弱。火箭在返回大气层时是从上往下落,大气密度越来越高,产生的压缩效应就越来越强。

同时,火箭是垂直往上发射的,这种发射方式使得箭体与前方空气的接触面积最小。火箭返回大气层时则是采用“打水漂”的方式,尽可能地让它增大与前方空气的接触面积,以便把速度降下来。箭体与前方空气的接触面积越大,压缩效应就越强烈,产生的热量也就越多。

第三、火箭在发射时有整流罩的保护,而返回时则没有整流罩的保护。

整流罩回收

火箭在发射时,为了保证其所携带的设备仪器的安全、确保发射任务成功,会在保持火箭气动外形的同时,在它的顶部安装一个整流罩。这个整流罩是由特殊材料制成的,具有耐高温、耐烧蚀的特性,在火箭发射时能够充当火箭的防火铠甲,避免让火箭燃烧起来。

返回大气层

当火箭飞出大气层以后,整流罩就会沿着箭体纵向分成两半并被抛开,完成它的使命。所以在火箭返程时,就没有了整流罩的保护,箭体失去了耐高温、耐烧蚀的特性,在强烈的空气压缩效应下熊熊燃烧起来也就不足为奇了。

主营产品:收缩机,封切机,真空机,封口机,包装机