為何飛船穿越大氣層, 只有返回時才發生燃燒? 這是啥原理?

從1969年美國阿波羅計劃成功，阿姆斯特朗成功登上月球的半個世紀以來，人類對於太空的探索腳步從未停止。

從衛星的發射到載人航天技術的發展，從月球空間站的建立到太陽系外的探索，未知的太空和宇宙給人類帶來了無限的嚮往和憧憬，而人類飛向太空的過程往往也令人格外關注。

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不知道大家有沒有發現這樣一個奇怪的現象，

宇宙飛船

在飛向宇宙和返回地球的時候往往會呈現出不同的狀態，而在宇宙飛船完成任務返回地球時經常會發生燃燒現象，遠遠看來就像一顆火球從太空中砸向地球一樣，但飛向宇宙時卻不會這樣。那麼同樣都是穿越大氣層，為什麼宇宙飛船出發和返回會呈現出完全不同的兩種狀態呢？

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大氣層的溫差變化

十七世紀，牛頓在自己的著作中列出了萬有引力定律。這個理論一經面世就轟動世界，萬有引力定律揭示了世界上所有物體重量的來源以及物體下墜的根本原因。

地球這顆古老的星球經過了幾次生物大滅絕之後呈現了我們現在的面貌，在地球整個球體的周圍存在著大量的氣體，這些氣體由於地心引力的原因被牢牢鎖在地球的上空，構成了大氣層，大氣層同時有有著大氣壓直接作用於地表。

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大氣層的質量大約是地球質量的百萬分之一，雖然它對比地球來說好像不值一提，但是大氣層對人類來說卻是至關重要的，這與大氣層的分佈有關。

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一般來說，大氣層從地表向宇宙可以逐步分為五層：

對流層

、

平流層

、中間層、熱層和散逸層。

其中人類生活的圈層屬於對流層，這裡存在著整個大氣層約75%的氣體。對流層顧名思義就是冷暖空氣氣流在這裡相匯併發生作用的圈層，因為這個特性，所以大自然中風雨雷電等一切天氣現象往往都在對流層發生。

最重要的是對流層的溫度變化。對流層的高度極高，同時，地處和高處的溫度差也很大。而造成這種溫度差異的是地球本身，對流層的溫度變化往往隨著地球的季節更迭，地形變化變化，其中起決定性因素的是地球的地表輻射。

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在對流層遠離地表的高處，這裡受到地表輻射的影響較小，因此接受到的輻射能量很小，能夠吸收的熱量也不夠，這就造成了對流層高處的溫度會比低處更低的現象。

大氣運動頻繁的對流層的上方是大氣運動相對平緩的平流層，平流層的氣體質量約佔整個大氣層的百分之10，而且平流層的溫度差與對流層截然相反。

平流層是隨著高度的升高，溫度也會不斷升高。這主要是由太陽決定的，平流層的上方受到太陽的直接照射，太陽光和太陽輻射一起作用，所以平流層的上方溫度會升高。再加上平流層底部接觸的是對流層相對溫度較低的頂部，所以平流層會出現這種海拔越高溫度越高的現象。

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除此之外，太陽輻射和太陽直射帶來的熱量給平流層造成的不僅僅只是溫度的變化，還有臭氧的形成。人們常提到的臭氧層就位於平流層中，作為地球自我保護屏障的一種，臭氧層對於人類的保護至關重要。

由此可知，對流層和平流層兩個最靠近人類生活的大氣圈層，已經將大氣層中百分之85的氣體包含其中了，剩下的三個圈層的大氣質量遠遠不如前兩個圈層中來得多。

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飛船的燃燒

一般來說，要使得一個物體進行燃燒，至少要滿足三個條件：可燃物、火源、助燃劑。可燃物和助燃劑都很好理解，飛船表面的材料可以作為可燃物，大氣中的氧氣可以作為助燃劑，那麼宇宙飛船在燃燒的時的火源是哪兒來的呢？

要知道，空中可是基本不可能會有明火的存在的，這裡其實就涉及到一箇中國古代的傳統神話故事——鑽木取火。

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這個故事是講，大約在一萬年前有一個叫燧明國的古國，那裡的人們不分四季和晝夜，燧明國有一棵叫做燧木的古樹。有個人有一天發現有鳥類在啄這棵古樹的時候，它的嘴部有火光蹦出來，藉此靈感，這個人將燧木的樹枝折下來對著木頭摩擦，最後生出火花使得木頭點燃。

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地球有引力，因此想要飛天就必須克服引力的影響，製造出動力足夠強勁的工具來克服引力。1926年3月，世界上第一枚液態燃料的火箭在美國馬塞諸塞州發射成功。自此，火箭被廣泛運用在軍事、科技的方面。近代人類對於太空的探索，宇宙飛船的發射往往也都是依賴火箭。換句話說，人類沒有火箭，根本不可能打達到現在這種科技成果，火箭更是人類航天事業的基礎。

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人類藉助火箭，可以成功擺脫地球引力對於人類航天升空造成的阻礙。如果把宇宙飛船發射升空過程比成鑽木取火的話，火箭就像是被折下來的燧木樹枝，大氣層中包含的氣體就是生火的木頭。而至關重要的火源，就是火箭在升空過程中克服地球引力時與大氣層中大氣發生的摩擦。

依據鑽木取火的故事，摩擦生熱，當溫度達到一定程度時，火箭就會開始燃燒。那麼為什麼飛船永遠是在完成任務返回地球的時候才會燃燒，而昇天的時候並不會燃燒呢？

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事實上，這其中有多方面的原因：

首先，在火箭點火升空的時候，火箭啟動速度較慢，因此初始速度其實是很慢的。在火箭經過對流層和平流層這種大氣質量較高的大氣圈層的時候，火箭正處於一個正加速的狀態，火箭與大氣發生的摩擦並不會劇烈到使飛船直接燃燒起來的程度。

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而當火箭逐漸加速到峰值速度，往往這時候火箭所處的圈層已經脫離了對流層和平流層，進入了大氣質量相對較為稀少的中間層和熱層。而兩個圈層的大氣質量較低，因此大氣對火箭所造成的阻力也相對較小，即使此時發生了摩擦，摩擦力也不會太大，當然也就不會使得火箭表面溫度升高甚至導致發生燃燒了。

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當火箭搭載宇宙飛船返回地面時，它的速度由於受到第一宇宙速度和重力加速度的不斷加持，整體速度理論上是越來越快的。

同時，火箭在穿過大氣層時，大氣圈層中大氣的質量也是從低到高不斷加大的。火箭從太空中向著地球表面不斷穿過厚度越來越大的大氣圈層，而由於其中氣體受到地球引力的影響，火箭表面受到的空氣阻力也越來越大，隨著阻力的變大，摩擦力也會變大。火箭表面會逐漸由於摩擦升溫，最終溫度最高可以達到1000多度，而這個溫度已經超過了鋼、鐵等材料的熔點，足以讓飛船表面發生燃燒了。

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失敗的太空旅行

因此，航天事業其實是一個時刻充滿危險的行業。這樣的高溫使得就算航天器安全著陸，但它們的表面仍然會被燒的黢黑，有的部件則已經完全燒燬無法使用。

事實上，人類歷史上這樣的航天事故並不少見。其中最為著名的就是1986年的美國挑戰者號

太空梭

爆炸和2003年哥倫比亞號太空梭空難事件。挑戰者號的太空梭由於機身右側火箭推進器上的一個Ｏ型環的失效，最終導致挑戰者號太空梭在升空的地73秒發生爆炸，飛機上乘坐的7名宇航員都在這次事故中喪生。

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與升空過程中出現意外的挑戰者號太空梭不同，哥倫比亞號太空梭災難則發生在返航時。事實上，哥倫比亞號太空梭在發射時就已經出現了問題。飛機外儲箱上的絕熱材料在發射時脫落並擊中了飛機的左翼，但是由於上文中敘述的緣由，飛機仍然安全升空並達到執行軌道。

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但這個安全隱患始終還是造成了後果，在哥倫比亞號太空梭重返大氣圈層的時候，由於絕熱材料的缺失，高溫的氣體進入機身內部並將機身內部機翼摧毀，這樣直接導致了飛機在空中發生爆炸並解體，飛機上搭載的7名航天員全部遇難。

兩次事故的發生都在提醒著，航天事故並不是兒戲，相關的工作人員和工程師必須絕對的專注和認真才行。

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安全保障的嘗試

上述的兩次有名的航天事故，都是出現在零件或裝置損壞的前提下，那麼如果完全沒有損壞，航天是不是就是萬無一失的呢？事實上，只要是航天，尤其是載人航天，就一定承載著不可估量的風險。

為了減小火箭爆炸的機率，保證安全，技術人員往往會在飛船或火箭的外壁上塗上一層特殊的材料。

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我國神舟系列載人飛船的外壁塗抹的就是燒蝕材料，這種材料可以在火箭重回大氣層產生大量熱量的時候發生融化、分解、蒸發等一系列物理和化學變化，這樣使得燒蝕材料在面對高溫時，可以透過自身的一系列消耗將高溫轉移並帶走。而NASA發射的太空梭則是選擇在機身上覆蓋著特製的隔熱瓦，將熱量和高溫直接與機身隔開。

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總之，保障機身安全的主要思路，就是降低火箭和宇宙飛船在重返地球大氣層時發生的摩擦以及產生的熱量，或者透過另一種方式將熱量轉移。那麼有沒有可能降低機身下降時的速度呢？

我們知道，我們在進行跳傘的運動時，往往會給我們配備一個降落傘，透過大氣來降低我們的下落速度。這個原理能否應用在航天領域呢？

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答案是否定的，前文中提到過，宇宙飛船和火箭在重返地球的時候產生的溫度最高可以達到1000多度，這樣高的溫度會將普通的降落傘直接燒成灰，而如果使用特殊材料進行製作的話又涉及到了後續的回收等操作，成本太高，所以這樣的操作幾乎是不可能實現的。

結語

從事航天事業無疑是一項風險係數極高的職業，誰也不能保證這一次任務可以萬無一失，一旦某一些地方出現紕漏，帶來的後果將不堪設想。儘管如此，我國仍然有那麼多航天英雄前赴後繼，為我國航天事業的巨大成功努力奉獻。而正是由於這些人，我們普通民眾才得以對宇宙有了一定的認知。

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