在10月30日，神舟十九號(hào)飛船成功發(fā)射升空，開啟了為期約6個(gè)月的飛行之旅，飛行乘組由航天員蔡旭哲、宋令東、王浩澤組成。航天員蔡旭哲擔(dān)任本次飛行任務(wù)的指令長(zhǎng)，這是他第2次出征太空，也是第二次前往中國(guó)空間站執(zhí)行飛行任務(wù)，在此之前他曾經(jīng)執(zhí)行了神舟十四號(hào)號(hào)飛行任務(wù)。

隨著神舟十九號(hào)飛船的到來(lái)，神舟十八號(hào)也開始返航了。在11月4日凌晨，神舟十八號(hào)飛船凱旋歸來(lái)，在東風(fēng)著陸場(chǎng)著陸。飛船著陸后，航天員們?cè)诠ぷ魅藛T的幫助下出艙，然后由工作人員抬著走，坐在椅子上面休息。

很多網(wǎng)友都看到了神舟十九號(hào)飛船發(fā)射升空的畫面，也看到了神舟十八號(hào)飛船返航時(shí)的畫面，這兩個(gè)畫面存在比較明顯的不同。當(dāng)火箭點(diǎn)火從發(fā)射場(chǎng)騰空而起時(shí)，火箭速度越來(lái)越快，最后慢慢地在視野中消失，沒有出現(xiàn)劇烈燃燒的情況。

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而飛船返航時(shí)的場(chǎng)景就不同了，當(dāng)飛船結(jié)束飛行任務(wù)從外太空返回地球時(shí)，就會(huì)經(jīng)受高溫的灼燒。飛船出廠以及發(fā)射升空或者在軌飛行期間，外表都是干凈的，返航過(guò)程中飛船外部卻被燒得黑不溜秋、面目全非，這是怎么回事？

發(fā)射時(shí)為什么不會(huì)燃燒

雖然都會(huì)穿過(guò)地球大氣層，但是火箭發(fā)射升空過(guò)程中不會(huì)像返航時(shí)那樣劇烈燃燒起來(lái)，原因很簡(jiǎn)單，那就是火箭發(fā)射的時(shí)候速度還不是很快，而飛船返航時(shí)速度則相當(dāng)快。

當(dāng)火箭點(diǎn)火后，火箭、飛船組合體的速度從0逐漸開始加速，隨著火箭推進(jìn)劑不斷燃燒，火箭、飛船組合體的重量逐漸降低，速度也會(huì)越來(lái)越快，高度不斷上升，而空氣密度則是越來(lái)越小。

由于火箭、飛船組合體本身的質(zhì)量相當(dāng)大，所以在發(fā)射升空的初始階段動(dòng)力不會(huì)很強(qiáng)，加速不會(huì)非常明顯，穿過(guò)卡門線進(jìn)入外太空時(shí)，速度也就是在3公里每秒左右而已，這時(shí)候飛船已經(jīng)進(jìn)入外太空，空氣極其稀薄了。

在這樣的情況下，飛船外部的氣動(dòng)加熱效應(yīng)其實(shí)很不明顯，所以就不會(huì)出現(xiàn)劇烈燃燒的現(xiàn)象。隨著飛船不斷加速，最后飛行速度會(huì)越來(lái)越快，接近地球第一宇宙速度7.9公里，開始正常環(huán)繞地球飛行。

而飛船返航時(shí)的情況就不同了，此時(shí)飛船的速度基本上還保持接近地球第一宇宙速度那么快。在經(jīng)過(guò)一系列的操作后，載人飛船的軌道艙、推進(jìn)艙、返回艙會(huì)進(jìn)行分離，只有返回艙會(huì)安全返航，在著陸場(chǎng)著陸。因?yàn)楹教靻T是乘坐返回艙返回地球的，而軌道艙、推進(jìn)艙則留在外太空飄蕩，最后再自行墜落大氣層燒毀。

在完成分離后，返回艙會(huì)以極快的速度闖入地球大氣層，隨著返回艙高度不斷下降，空氣密度會(huì)越來(lái)越大，由于在這個(gè)過(guò)程中飛船返回艙氣動(dòng)減速不會(huì)很明顯，所以下降的速度還是相當(dāng)快，導(dǎo)致返回艙外部氣動(dòng)加熱效應(yīng)很強(qiáng)烈，外部溫度急劇上升，局部區(qū)域的溫度可以超過(guò)1000℃。

由于外部溫度高達(dá)1000多℃，一般的殘骸（如火箭殘骸、推進(jìn)艙、軌道艙、衛(wèi)星殘骸等）都會(huì)直接在大氣層中燒毀，化為灰燼，而返回艙需要把航天員安全送回地面，自然不可能被燒毀的。

為了確保航天員的安全，返回艙在設(shè)計(jì)、制造的時(shí)候就考慮到了這些問(wèn)題，科學(xué)家在返回艙外部涂有燒蝕材料、隔熱材料，還安裝了一系列生命保障系統(tǒng)，確保返回艙在經(jīng)受這么高溫的灼燒時(shí)，返回艙內(nèi)部不受影響，能夠保持一個(gè)恒溫恒壓的環(huán)境。

返回艙外部的那些燒蝕材料、隔熱材料能夠承受極高的溫度，當(dāng)飛船返回艙被高達(dá)1000多℃高溫灼燒時(shí)，這些燒蝕材料、隔熱材料會(huì)脫落帶走大量熱量。在這個(gè)過(guò)程中，返回艙外部就會(huì)變得黑不溜秋、面目全非了。

這樣的情況不僅僅出現(xiàn)在飛船重返地球時(shí)，在登陸包括火星、木星、土星之類的有大氣層的星球時(shí)一樣會(huì)出現(xiàn)，而在登陸像月球這樣的沒有大氣層的星球時(shí)就不會(huì)出現(xiàn)劇烈燃燒的情況。

例如美國(guó)在1997年10月發(fā)射的卡西尼號(hào)探測(cè)器在完成土星的探索任務(wù)后，在2017年9月15日受控墜落到土星，在墜落過(guò)程中這個(gè)探測(cè)器被燒毀，在大氣層中化為灰燼。

中美正抓緊研制充氣式防熱罩

現(xiàn)在中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯的載人飛船在重返地球時(shí)都會(huì)面臨這樣的問(wèn)題，經(jīng)受高溫灼燒是沒法避免的。雖然經(jīng)受這么高溫的灼燒，但是載人飛船返回艙不會(huì)被燒毀，因?yàn)橥獠客坑幸粚臃雷o(hù)材料，也就是燒蝕材料、隔熱材料，即使外部溫度接近2000℃，但是飛船內(nèi)部溫度都會(huì)低于30℃。

這樣的技術(shù)已經(jīng)使用幾十年了，可以說(shuō)是相當(dāng)成熟、可靠、安全。不過(guò)在返回艙外部涂燒蝕材料、安裝隔熱大底、放熱大底也存在一些弊端，其中一個(gè)就是重量的問(wèn)題。

現(xiàn)在的載人飛船有接近45%的重量都用在隔熱措施上，這導(dǎo)致飛船的有效載荷大幅度降低。而且，這些隔熱大底、燒蝕材料價(jià)格很高，燒蝕材料是一次性的，從太空返回后就沒用了。最重要的是，現(xiàn)在的載人飛船為了氣動(dòng)布局和防熱，外形設(shè)計(jì)基本上是對(duì)稱的鐘型，飛船的尺寸也有限制，不能太大，也不能太小。

如果我們有辦法讓飛船的隔熱結(jié)構(gòu)重量占比降低的話，飛船的發(fā)射成本可能就會(huì)降低了，能夠有更大的運(yùn)載能力。所以現(xiàn)在中國(guó)、美國(guó)都在研制一種更輕的、減速效果更好的防熱罩設(shè)備，那就是充氣式防熱罩。顧名思義，充氣的防熱罩就是在發(fā)射的時(shí)候先收納起來(lái)，當(dāng)飛船返航時(shí)才充氣擴(kuò)大，這樣一來(lái)就不需要占用太大的空間了。

最重要的是，返航時(shí)充氣式防熱罩充氣膨脹起來(lái)，它的尺寸可以做得很大，迎風(fēng)面積可以更大，受到的空氣阻力自然也會(huì)更大，減速效果會(huì)更好。即使充氣式防熱罩展開后體積很大，但是收納起來(lái)占用不了多少空間。而且，展開后的充氣式防熱罩可以包裹著飛船返回艙，所以返回艙的外形不需要太在乎氣動(dòng)布局的設(shè)計(jì)。

雖然充氣式防熱罩的優(yōu)勢(shì)很明顯，減速效果更加明顯、價(jià)格更低、占用空間更小、重量更輕，返回艙的外形設(shè)計(jì)也可以更加隨意，但是研制充氣式防熱罩的難度相當(dāng)高。

因?yàn)轱w船返回艙從外太空返航時(shí)速度很快，像神舟載人飛船的速度接近7.9公里每秒，這些充氣式防熱罩的強(qiáng)度沒有那么強(qiáng)，在這么快速度的沖擊下，能不能順利展開、能不能維持外形、能不能承受高溫的灼燒。最重要的是，充氣式防熱罩重返地球時(shí)怎么保持姿態(tài)的穩(wěn)定。畢竟充氣式防熱罩質(zhì)量很輕，可能會(huì)出現(xiàn)翻滾或者側(cè)翻等情況，這樣的話也是比較危險(xiǎn)的。

雖然研制難度很大，但是我國(guó)在這方面已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。在2020年我國(guó)用長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭發(fā)射了新一代載人飛船試驗(yàn)船和柔性充氣式貨物返回艙試驗(yàn)艙。其中柔性充氣式貨物返回艙試驗(yàn)艙進(jìn)行的就是驗(yàn)證充氣式再入與下降技術(shù)。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是驗(yàn)證貨運(yùn)飛船使用充氣式再入與下降技術(shù)返回地球。官方公布的模擬動(dòng)畫中，飛船使用充氣式再入與下降技術(shù)返航時(shí)不需要使用降落傘減速，直接使用巨大的充氣結(jié)構(gòu)來(lái)增大氣動(dòng)阻力來(lái)減速，還可以起到熱防護(hù)作用。

在著陸時(shí)，充氣結(jié)構(gòu)還能起到減緩著陸沖擊的作用。如果這一項(xiàng)技術(shù)成熟并且投入使用的話，我們的飛船就不再需要反推發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行最后的緩沖減速了，也不需要在外部涂上厚厚的、笨重的燒蝕材料。

有點(diǎn)遺憾的是，當(dāng)時(shí)柔性充氣式貨物返回艙試驗(yàn)艙在重返地球時(shí)出現(xiàn)了問(wèn)題，這次試驗(yàn)沒有取得全部成功。不過(guò)，大家也不要?dú)怵H，因?yàn)檫@一項(xiàng)技術(shù)確實(shí)是很難，美國(guó)在這方面也沒比我們先進(jìn)多少，和我們其實(shí)是齊頭并進(jìn)的，旗鼓相當(dāng)。

來(lái)源：璀璨科學(xué)