為什麼宇宙飛船和衛星返回地球大氣層時,不能一開始就打開降落傘,防止高速下落中與空氣摩擦導致的急劇發熱?


感謝 @葉凡同學的提醒,修正了下飛船表面溫度上升的原因。

要回答這一問題,首先需要理解宇宙飛船返回的過程。

宇宙飛船返回地球時主要分三個階段。

一是返回大氣層。飛船返回大氣層時,並不是垂直下降的,而是以一定的返回「再入角」,也就是進入大氣層時的飛行方向與當地水平面的夾角,進入大氣層的,一般情況下,這一夾角不能超過3度。「再入角」過大,飛船進入大氣層的速度過快,會產生飛船自身無法承受的熱量而被燒毀,像流星一樣墜落地面;「再入角」過小,飛船又會被「彈回」宇宙空間回不了地面。「再入角」的存在,決定了飛船返回時的速度不能太小,只是比第一宇宙速度稍低,因此這一階段無需打開降落傘減速(事實上,飛船在這一階段是通過與飛船飛行方向相反的制動火箭來降低飛行速度的),同時,在這一飛行軌道,大氣稀薄,近似真空,降落傘無法正常打開,即使能張開也無法起到減速作用;

二是飛船進入黑障區。此時大氣密度上升,而飛船速度依然很快,由於飛船壓縮底部空氣,動能轉化成空氣內能,與飛船接觸的空氣溫度急劇上升,導致飛船外表面溫度升高(主要是飛船底部),飛船表面產生電離層,與外界通信中斷,此時如果打開降落傘,肯定是場災難,首先返回艙內的宇航員突然受到一個巨大的向後的加速度,好比開車以超高速撞牆,宇航員必死無疑,其次降落傘所受瞬時作用力巨大,傘繩極可能直接斷掉;

飛船的鈍頭體(blunt body)形狀,Atmospheric entry

An artist"s illustration of the superhot plasma around a spacecraft like NASA"s Apollo command module that can block communications and cause a radio blackout during the critical re-entry of a spacecraft.

New Spaceship Antenna Prevents Radio Silence During Fiery Re-Entry

三是脫離黑障區後直到著陸的階段。此時由於前一階段大氣的摩擦阻力,飛船速度已經大大降低,而大氣密度也足夠大,此時開傘既能起到減速的作用(飛船一般有「引導傘」,「減速傘」和「主傘」),同時飛船所受瞬時加速度也不至於太大,因而可以安全有效的降低飛船速度。


剛進入大氣層時速度太快,馬上放傘會把傘瞬間扯爛。


降落傘的原理是什麼?利用空氣阻力

外太空是真空狀態根本沒有空氣阻力,接近大氣層的位置也空氣也很稀薄阻力很小,這時候打開降落傘有個毛線用?


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