为什么宇宙飞船返回地球一定要那么快?

宇宙飞船返回地球要快是因为它们需要通过大气层的摩擦来减速并着陆,而在大气层中快速移动会导致摩擦和空气阻力产生高温,这可能会损坏飞船或危及乘员的生命安全。


因此,为了最小化这种风险,宇宙飞船需要在大气层中尽快减速并着陆。


具体来说,当宇宙飞船返回地球时,它会引导其航向进入大气层,这时飞船的速度非常快,通常在每小时约2.5万英里(约4万公里)左右。


由于在高速下进入大气层时会产生极高的热量,因此宇宙飞船需要通过减速来降低其速度,从而减少大气层内的空气摩擦和阻力。


这通常通过使用降落伞、反推火箭或其他减速装置来实现。

在减速过程中,飞船的速度会逐渐降低,但仍然非常快。


为了确保飞船安全着陆,它需要在大气层中飞行的时间尽可能短,以避免高温对飞船和乘员造成的损害。


因此,宇宙飞船通常会在大气层中迅速减速并降落,以确保安全返回地球。














宇宙飞船返回地球要看是什么样的宇宙飞船,如果是近地轨道的那种,比如神舟、联盟等,返回地球的速度不会超过第一宇宙速度。如果是阿波罗登月飞船,那么速度可解决第二宇宙速度,这与返回的轨道有关,处于什么的轨道,对应什么样的速度。不论如何,宇宙飞船返回地球都需要反推制动。我们假设太空中有一个相对地球静止的飞船,如果它要向某个方向运动,就需要向反方向以一定的速度抛射一定质量的物体。这个物体一般是火箭发动机的燃气,我们称之为工质,由于动量守恒,飞船会获得向前的速度(动量)。

动量和冲量单位相同。所谓冲量,就是作用力效果随时间的积累。换言之,如果物体的动量发生改变,物体必然会受到力的作用。这里飞船收到的就是发动机的“推力”。如果飞船要减速、停下来,那么就需要向反方向抛射物体。这是飞船的速度会逐渐减小,直到停止。对于重返大气层的飞船,在进入返回轨道的时候就需要发动机制动,降低速度,精确控制切入大气层的角度,不然飞船就会如同水漂一样被稠密的大气层反弹出去,无法返回。在地月系内运行的宇宙飞船速度都不快,而一些掠过地球、通过其他行星引力加速的飞船,返回地球就不是这样了。

这样的探测器或者飞船还会受到各种天体的引力作用,其运动会更加复杂。比如美国宇航局的朱诺木星探测器,利用火星进行两次引力加速,第二次掠过地球的速度超过了第二宇宙速度。但是目前的飞船运动控制,基本原则还是建立在牛顿三大定律和动量守恒之上的。




哥们你以为只有上天才需要克服地球引力做功吗?下降一样需要的,宇宙飞船重量和高度都是非常大的,所以重力势能也是非常夸张的,能量守恒原则,自由落体,高度降低重力势能必定会转化为动能,速度肯定非常快,减速常用只有两种方法,一是曾经美国鬼子的航天飞机,靠滑翔,增加降落的距离从而增加空气阻力做工的时间,达到减速的目的,一是现在都在用的减速伞,用巨大的阻力短时间就可以减速到可以接受的速度了。至于缓缓降落,最想的肯定是杨利伟,当年可是被震吐血了。但是实现有难度,以上两种方法都是靠的空气阻力,但是大气层厚度有限,可以减速的时间有限,无限增大降落伞技术难度比较大,而且阻力瞬间太大会拉断绳索的,用燃料反推,不好意思,升空时候基本都用光了,增加燃料携带量,这个成本太高,也不是必须,所以基本只有落地瞬间反推达到可以接受范围内的速度就好。




为什么宇宙飞船返回地球一定要那么快?

大家都知道,地球的强大引力将我们牢牢地束缚在地球表面,如果要克服地球的引力,就必须要达到一定的初始速度,具体是多少呢?科学家早已计算出了答案:在地球的表面,当一个物体的初始速度达到每秒钟7.9公里时,这个物体就可以围绕着地球转圈而不会掉下来,这被称为“第一宇宙速度”,而当初始速度达到每秒钟11.2公里时,这个物体就可以挣脱地球的引力束缚,进而飞往太空深处,这被称为“第二宇宙速度”。

为了更直观地感受到这种速度有多快,我们不妨将它们的时间单位换算成小时,即第一宇宙速度为每小时28440公里,第二宇宙速度则为每小时40320公里。可以看到,这种速度相当的惊人,显而易见的是,当宇宙飞船返回地球时,也会具备同样的速度,那么问题就来了,对于速度如此高的宇宙飞船,我们应该怎么让它慢慢地降落呢?

相信大家首先考虑就是利用减速伞,但问题是以我们人类现有的科技水平,似乎无法制造出能够承受如此高速的减速伞,可以想象的是,当宇宙飞船返回地球时,不管什么样的减速伞只要一打开,马上就会被巨大的空气阻力撕成碎片。

退一步讲,即使是我们能够制造出如此高强度的减速伞,也会面临着极度高温的考验。当宇宙飞船高速穿过大气层时,会剧烈地压缩前方的空气,从而导致高温的产生,其温度通常可达到1000摄氏度以上,而如果我们使用减速伞的话,那么被压缩的空气将会在瞬间成倍地增加,随之而来的就是更加高的温度,从而使减速伞在剧烈的燃烧中化为灰烬。

所以说在我们还没有能力制造出集耐高温与高强度于一身的减速伞之前,用这种方法使宇宙飞船慢慢地降落是行不通的。那么我们能不能利用火箭发动机的反推力将返回地球的宇宙飞船慢慢减速呢?

理论上来讲,这种方法是可行的,但问题是火箭发动机的反推力是需要燃料的,而要使速度如此高的宇宙飞船减速,更是需要大量的燃料。也就是说,如果我们要采用这种方法,就必须要求宇宙飞船在升空时额外携带大量的燃料,然而以我们现在的相对“原始”的以化石燃料为基础的运载能力,要将这些额外的燃烧送上太空,是需要消耗超级多的燃料的,这根本就不现实。

因此在我们拥有更加强大的动力之前,这种依靠反推力的方法也是行不通的。于是我们就只能利用大气层的阻力来为宇宙飞船减速了,我们不惜燃烧的代价来高速穿过大气层,其实是不得已而为之,因为我们根本就没有能力让宇宙飞船慢慢地降落。

目前我们让宇宙飞船返回地球的方式大致可分为三种,分别是“弹道式”、“滑翔式”以及“跳跃式”。简单地讲,“弹道式”就是让宇宙飞船直接往下掉,当空气的阻力使其降到合适的速度后,再打开减速伞或反推装置使其平安落地。

“滑翔式”是利用空气的上升力使进入大气层的宇宙飞船像滑翔机那样一边飞行一边下降,这样就延长了减速的时间,使得宇宙飞船的降落更加精准,同时也让其中的宇航员不必承受太大的冲击。

而对于那些速度极高的宇宙飞船(比如说从月球归来的宇宙飞船),则需要采用“跳跃式”,采用这种方式的宇宙飞船会以一个很小的角度进入大气层,在经过大气层短暂的减速过程之后,又利用空气的上升力离开大气层,然后再一次进入大气层,如此反复,就像“打水漂”一样,直到宇宙飞船的速度下降到合适的水平。


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宇宙飞船

看了几个回答,感觉说得都不对。其实这个问题很简单,人类倒是想让宇宙飞船返回地球慢一些,最好是有条不紊地徐徐落下,没有和大气层剧烈的摩擦,没有黑障,就像直升飞机一样精确的降落到一个点上,但问题是凭借人类今天的技术实在是做不到啊。

第一个问题:宇宙飞船高速返回地球有哪些缺点?

这个缺点其实很多,就比如:一、增加了控制的难度,很难有精确的落点。目前包括美国、俄罗斯和我国在内,人类所有宇宙飞船落点的精确度都是以千米甚至几十千米计的。这给宇航员的生命安全,提出了一个严肃的挑战;二、对宇宙飞船的材料要求很高,一定要能耐高温,否则在和大气层剧烈的摩擦中很容易烧毁;三、由于和大气层剧烈的摩擦,在飞船返回途中要经历一段无法通信的黑障区。

宇宙飞船回归

第二个问题:既然宇宙飞船高速返回地球有那么多的缺点,为什么不让宇宙飞船缓慢地回归?

这个问题其实很简单,因为我们做不到。说到这个问题,我们就不得说说宇宙飞船。其实宇宙飞船只不过是人类航天萌芽时期的低级产品,它最大的缺点就是自身不像火箭一样具备强大的动力。携带的燃料非常有限,只能作为姿态调整和后期有限的加速和减速之用,根本不具备直接刹车和强行加速的能力。它必须依靠火箭的外力,将它加速到“第一宇宙速度”,然后环绕地球运动。等要返回的时候,环绕地球一圈圈的转圈圈,依靠自身携带的可怜的燃料逐渐减小自己的速度,当低于第一宇宙速度之后,依靠地球的引力“落”后地球。注意是落啊,而且准头奇差,只能瞄准一个大概的方向。至于在大气层中遇到什么样的空气状况,遇到什么样的湍流,能够偏离预定落点多少完全是听天由命。总之在宇宙飞船进入大气层后,返回地球的过程中,宇宙飞船基本上很难做出调整。

这和我们在科幻电影中的飞船降落星球有巨大的区别。究其原因就在于凭借人类今天的化学燃料,达不到那么大的“比冲量”,无法随心所欲。想怎么飞就怎么飞,想怎么落就怎么落。

星际战舰

第三个问题:如果人类掌握了像科幻电影中的航天技术,会怎么返回地球?

前文已经说过,人类目前的宇宙飞船之所以返回地球要这么高的速度,完全是没有掌握更先进的航天技术所致。如果人类拥有了科幻电影中的火箭技术,拥有更高效率的燃料,在返回地球的过程中,完全可以开动前向喷口(注:理想的航天器至少应该具备前向和后向两个喷口,用于加速或者减速。或者航天器能够在飞行中360度旋转,能随时调整发动机喷口的方向。),用发动机的喷射直接进行刹车减速,并在下降过程中不断调整姿态,像直升飞机一样,缓缓下降,并选择一个落点精确的降落。到那时,地面控制中心也就不需要派出大量的搜救人员进行搜救了。

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页面更新:2024-05-15

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