这就是物体再次进入大气时会燃烧的原因

  • 小编 发布于 2019-11-06 10:27:19
  • 栏目:科技
  • 来源:天文在线
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提问:如果我们讲一个人举升到太空乃至更高,那么他在返回时不会被活活烧死的最大高度是多少?

回答:这与海拔无关,而与速度有关。

这就是物体再次进入大气时会燃烧的原因

图解:火星探测漫游者(MER)的整流罩在进入火星大气时情形的艺术想象图

进入地球大气层的物体燃烧不是因为它们从高空坠落,而是因为它们以很高的速度穿过大气。一架返回的航天器以大约25马赫的速度进入大气层。

我们通常认为重新进入大气的加热机制是通过摩擦(即大气中的粘性阻力)产生的。这是仅在较低高度的主要机制,因为空气密度会逐渐增加。在下降过程中最快和最热的期间,不同将会发生。

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图解 :阿波罗飞船指令舱的再入形状

一个重新进入的飞船在其前导表面会产生非常有力的压力波。能量密度足以让大气分子发生解离,并使它们的组成原子离子化。因此,飞船在过热的白炽等离子体的笼罩中消亡。

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图解:LGM-30民兵洲际导弹的再入段

等离子体虽然符合其中一个熟知的特性——即所包含系统中压力与温度之间呈比例关系,但它并不符合常规热力学的气体定律。因此,压力波的形成中也会产生极端温度。等离子体流也带有静电,并且集中在激烈的表面上。结果是机身前缘处的局部发热特别严重。

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图解:Mk-6 再入舱

隔热罩设计人员用来估计峰值冲击层温度的近似经验法则是假设开尔文的空气温度等于以米/秒为单位的进入速度——这是数学上的巧合。例如,以7.8 km / s的速度进入大气层的航天器将经历7800 K的最高冲击层温度。

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图解:携带着陆器的海盗号轨道器

2012年,费利克斯·鲍姆加特纳(Felix Baumgartner)从约120,000英尺(38千米)高的气球上跳下。气球的速度可以忽略不计。鲍姆加特纳(Baumgartner)的服装旨在保护他免受高空的极端寒冷,而不是折返的极端高温。

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图解:星尘号彗星采样再入舱

大气进入是物体从外层空间进入并穿过行星/矮行星/自然卫星的大气层的运动。大气进入有两种主要类型:一种是不受控制的进入,例如天体,空间碎片或爆炸物的进入,而另一种是能够导航或遵循预定路线的航天器的受控进入(或再进入)。其中,控制航天器的大气进入/下降/降落的技术和程序统称为EDL(Entry/Descent/Landing)。

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(当流星体进入地球大气层以可见的流星的形式出现而以流星体的形式着陆时的不同阶段的动画插图)

大气阻力和空气动力加热会导致大气破裂,从而能够完全分解较小的物体。这些力可能导致抗压强度较低的物体爆炸。

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在部署降落伞或空气制动器之前,必须将乘员航天器的速度降至亚音速。这种飞船的动能通常在50至1800兆焦耳之间,而大气耗散是消耗动能的唯一方法。使飞船减速所需的火箭燃料量将几乎等于最初使飞船加速所需的燃料量,因此在整个地球再进入过程中都使用过去常用的火箭是非常不切实际的。尽管隔热板表面产生的高温是由于绝热压缩引起的,但在飞船经过后,其动能最终会因气体摩擦(粘度)而受到损失。其他较小的能量损失包括直接来自热气体的黑体辐射以及电离气体之间的化学反应。

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由于弹道弹头和消耗性飞船不需要在重返时放慢速度,因而事实上,它们经过精简以保持其速度。此外,低速从近空返回地球,例如从气球跳下的降落伞并不需要隔热,因为物体相对静止时从大气中(或不远处)的重力加速度无法产生足够的速度来产生大量的大气加热。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. forbes-千景

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