神舟十八号安全返航！返航时外部被烧得黑不溜秋，为何发射时不会

在10月30日，神舟十九号飞船成功发射升空，开启了为期约6个月的飞行之旅，飞行乘组由航天员蔡旭哲、宋令东、王浩泽组成。航天员蔡旭哲担任本次飞行任务的指令长，这是他第2次出征太空，也是第二次前往中国空间站执行飞行任务，在此之前他曾经执行了神舟十四号号飞行任务。随着神舟十九号飞船的到来，神舟十八号也开始返航了。在11月4日凌晨，神舟十八号飞船凯旋归来，在东风着陆场着陆。飞船着陆后，航天员们在工作人员的帮助下出舱，然后由工作人员抬着走，坐在椅子上面休息。很多网友都看到了神舟十九号飞船发射升空的画面，也看到了神舟十八号飞船返航时的画面，这两个画面存在比较明显的不同。当火箭点火从发射场腾空而起时，火箭速度越来越快，最后慢慢地在视野中消失，没有出现剧烈燃烧的情况。而飞船返航时的场景就不同了，当飞船结束飞行任务从外太空返回地球时，就会经受高温的灼烧。飞船出厂以及发射升空或者在轨飞行期间，外表都是干净的，返航过程中飞船外部却被烧得黑不溜秋、面目全非，这是怎么回事？发射时为什么不会燃烧虽然都会穿过地球大气层，但是火箭发射升空过程中不会像返航时那样剧烈燃烧起来，原因很简单，那就是火箭发射的时候速度还不是很快，而飞船返航时速度则相当快。当火箭点火后，火箭、飞船组合体的速度从0逐渐开始加速，随着火箭推进剂不断燃烧，火箭、飞船组合体的重量逐渐降低，速度也会越来越快，高度不断上升，而空气密度则是越来越小。由于火箭、飞船组合体本身的质量相当大，所以在发射升空的初始阶段动力不会很强，加速不会非常明显，穿过卡门线进入外太空时，速度也就是在3公里每秒左右而已，这时候飞船已经进入外太空，空气极其稀薄了。在这样的情况下，飞船外部的气动加热效应其实很不明显，所以就不会出现剧烈燃烧的现象。随着飞船不断加速，最后飞行速度会越来越快，接近地球第一宇宙速度7.9公里，开始正常环绕地球飞行。而飞船返航时的情况就不同了，此时飞船的速度基本上还保持接近地球第一宇宙速度那么快。在经过一系列的操作后，载人飞船的轨道舱、推进舱、返回舱会进行分离，只有返回舱会安全返航，在着陆场着陆。因为航天员是乘坐返回舱返回地球的，而轨道舱、推进舱则留在外太空飘荡，最后再自行坠落大气层烧毁。在完成分离后，返回舱会以极快的速度闯入地球大气层，随着返回舱高度不断下降，空气密度会越来越大，由于在这个过程中飞船返回舱气动减速不会很明显，所以下降的速度还是相当快，导致返回舱外部气动加热效应很强烈，外部温度急剧上升，局部区域的温度可以超过1000℃。由于外部温度高达1000多℃，一般的残骸（如火箭残骸、推进舱、轨道舱、卫星残骸等）都会直接在大气层中烧毁，化为灰烬，而返回舱需要把航天员安全送回地面，自然不可能被烧毁的。为了确保航天员的安全，返回舱在设计、制造的时候就考虑到了这些问题，科学家在返回舱外部涂有烧蚀材料、隔热材料，还安装了一系列生命保障系统，确保返回舱在经受这么高温的灼烧时，返回舱内部不受影响，能够保持一个恒温恒压的环境。返回舱外部的那些烧蚀材料、隔热材料能够承受极高的温度，当飞船返回舱被高达1000多℃高温灼烧时，这些烧蚀材料、隔热材料会脱落带走大量热量。在这个过程中，返回舱外部就会变得黑不溜秋、面目全非了。这样的情况不仅仅出现在飞船重返地球时，在登陆包括火星、木星、土星之类的有大气层的星球时一样会出现，而在登陆像月球这样的没有大气层的星球时就不会出现剧烈燃烧的情况。例如美国在1997年10月发射的卡西尼号探测器在完成土星的探索任务后，在2017年9月15日受控坠落到土星，在坠落过程中这个探测器被烧毁，在大气层中化为灰烬。中美正抓紧研制充气式防热罩现在中国、美国、俄罗斯的载人飞船在重返地球时都会面临这样的问题，经受高温灼烧是没法避免的。虽然经受这么高温的灼烧，但是载人飞船返回舱不会被烧毁，因为外部涂有一层防护材料，也就是烧蚀材料、隔热材料，即使外部温度接近2000℃，但是飞船内部温度都会低于30℃。这样的技术已经使用几十年了，可以说是相当成熟、可靠、安全。不过在返回舱外部涂烧蚀材料、安装隔热大底、放热大底也存在一些弊端，其中一个就是重量的问题。现在的载人飞船有接近45%的重量都用在隔热措施上，这导致飞船的有效载荷大幅度降低。而且，这些隔热大底、烧蚀材料价格很高，烧蚀材料是一次性的，从太空返回后就没用了。最重要的是，现在的载人飞船为了气动布局和防热，外形设计基本上是对称的钟型，飞船的尺寸也有限制，不能太大，也不能太小。如果我们有办法让飞船的隔热结构重量占比降低的话，飞船的发射成本可能就会降低了，能够有更大的运载能力。所以现在中国、美国都在研制一种更轻的、减速效果更好的防热罩设备，那就是充气式防热罩。顾名思义，充气的防热罩就是在发射的时候先收纳起来，当飞船返航时才充气扩大，这样一来就不需要占用太大的空间了。最重要的是，返航时充气式防热罩充气膨胀起来，它的尺寸可以做得很大，迎风面积可以更大，受到的空气阻力自然也会更大，减速效果会更好。即使充气式防热罩展开后体积很大，但是收纳起来占用不了多少空间。而且，展开后的充气式防热罩可以包裹着飞船返回舱，所以返回舱的外形不需要太在乎气动布局的设计。虽然充气式防热罩的优势很明显，减速效果更加明显、价格更低、占用空间更小、重量更轻，返回舱的外形设计也可以更加随意，但是研制充气式防热罩的难度相当高。因为飞船返回舱从外太空返航时速度很快，像神舟载人飞船的速度接近7.9公里每秒，这些充气式防热罩的强度没有那么强，在这么快速度的冲击下，能不能顺利展开、能不能维持外形、能不能承受高温的灼烧。最重要的是，充气式防热罩重返地球时怎么保持姿态的稳定。毕竟充气式防热罩质量很轻，可能会出现翻滚或者侧翻等情况，这样的话也是比较危险的。虽然研制难度很大，但是我国在这方面已经取得了一些进展。在2020年我国用长征五号B运载火箭发射了新一代载人飞船试验船和柔性充气式货物返回舱试验舱。其中柔性充气式货物返回舱试验舱进行的就是验证充气式再入与下降技术。简单地说，就是验证货运飞船使用充气式再入与下降技术返回地球。官方公布的模拟动画中，飞船使用充气式再入与下降技术返航时不需要使用降落伞减速，直接使用巨大的充气结构来增大气动阻力来减速，还可以起到热防护作用。在着陆时，充气结构还能起到减缓着陆冲击的作用。如果这一项技术成熟并且投入使用的话，我们的飞船就不再需要反推发动机进行最后的缓冲减速了，也不需要在外部涂上厚厚的、笨重的烧蚀材料。有点遗憾的是，当时柔性充气式货物返回舱试验舱在重返地球时出现了问题，这次试验没有取得全部成功。不过，大家也不要气馁，因为这一项技术确实是很难，美国在这方面也没比我们先进多少，和我们其实是齐头并进的，旗鼓相当。璀璨科学

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