回到地球的“火球”

现在的我们，早已见惯了各式各样的宇宙飞船在地球和太空之间来来往往，令人感到奇怪的是，当宇宙飞船返回地球时会被高温炙烤，甚至会变成一个耀眼的“火球”，然而在宇宙飞船飞出地球时，却没有出现这样的情况，这是为什么呢？下面我们就来聊一聊这个话题。

当物体在空气中高速运动的时候会产生高温，这种现象被称为“气动加热”。关于这种现象，有一种常见的说法是，物体在空气中高速运动时，其表面会与空气剧烈摩擦，进而产生高温。但这种说法其实并不准确，因为尽管物体表面与空气的摩擦确实会产生一定的热量，但更多的热量，则是来自物体在高速运动的过程中对其前方空气的剧烈压缩。

相信大家都听说过第一、第二和第三宇宙速度，简单来讲，它们分别对应宇宙飞船环绕地球运行、摆脱地球引力束缚以及飞出太阳系的最低速度。

也就是说，当宇宙飞船在执行完太空任务返回地球时，其最低的速度与第一宇宙速度差不多，这种速度其实比想象中的快得多。比如在空间站的高度上，第一宇宙速度大约是7.8千米每秒，按照这样的速度，大概只需要1.4小时就可以绕着地球赤道跑一圈。

所以我们不难想象，以如此高的速度穿过大气层，宇宙飞船当然会因为剧烈的气动加热而被高温炙烤了。那为什么宇宙飞船飞出地球时，却没有出现这样的情况呢？

从理论上来讲，当物体在空气中运动时，气动加热产生的热量与两个条件密切相关，一个是物体的运动速度，另一个则是空气的稠密程度，具体表现为：物体的运动速度越快，空气的稠密程度越高，其产生的热量也就越多。

需要知道的是，地球大气层之中的空气其实分布得极不均匀。其中有大约75%的质量都集中在其底部的对流层，而随着高度的增加，空气的密度也会急剧下降。当高度达到100千米时，空气的密度就大约只有海平面处的空气密度的220万分之一了。

我们都知道，在发射宇宙飞船的时候，宇宙飞船的速度并不是瞬间提升的，而是有一个相对缓慢且持续的加速过程。这就意味着，在地球大气层中空气相对稠密的区域里，宇宙飞船的速度其实并不快，如此一来，即使存在气动加热，其产生的热量也不算多。

而随着宇宙飞船的速度逐渐提升，其飞行高度也在不断增加，空气的密度也会急剧下降。在这样的情况下，当宇宙飞船的速度提上来之后，其所在区域的空气已经非常稀薄了，气动加热的效果也不明显，其产生的热量当然也不多，自然也就不会被高温炙烤了。

看到这里你可能会提出一种想法：既然如此，那么在宇宙飞船返回地球时，我们能不能把它的速度降下来，.让它以较低的速度穿过大气层中空气相对稠密的区域，进而避免宇宙飞船被高温炙烤？很遗憾，这样的想法好是好，但以我们目前的技术水平无法做到。

现在我们给宇宙飞船减速的方法只有两种，即依靠减速伞和反推装置。正如前文所言，宇宙飞船返回地球时，其速度是相当高的。在这种情况下，如果我们用减速伞，其实在空气稀薄的区域，减速伞根本起不了作用；在空气稠密的区域，剧烈的气动加热所产生的高温，则会将减速伞在极短的时间内烧蚀殆尽。所以这是不可行的。

然而如果用反推装置，就需要大量的燃料，这些燃料从何而来呢？当然只能靠宇宙飞船在发射时携带，但是这些额外的燃料本身又很重，这就需要更多的燃料来提供发射时的动力……以航天器目前的载荷能力，这同样是不可行的。

所以目前我们所采用的方法只能是：先让宇宙飞船在大气层中穿行一大段距离，利用空气的阻力来为其降速，当速度降低到一定的程度时，再利用减速伞和反推装置为其进一步降速，并最终让宇宙飞船安全降落到地面上。

（林一摘自微信公众号“魅力科学君”，Raven图）