宇航员完成太空任务返回时，返回舱会与大气剧烈摩擦，为什么不能慢点？
2024-11-19 阅读 11
更新于 2024年11月21日
讨论这个问题之前首先要明白航天器返回地球的过程，可简单描述为：逆向点火减速并调整姿态，进入再入轨道；其余各模块分离，返回舱进入大气层摩擦与减速；打开降落伞，抛弃热防护罩；缓冲着陆。其中，返回舱在大气层中,会剧烈摩擦产生大量的热，称为气动加热，这是现阶段不可避免的，不能用减速等方法来解决，原因如下：
一方面由于返回舱的着陆地点都是经过复杂且严格的计算的，其中返回舱的速度与其返回地球上的飞行轨迹密切相关，而使用逆向推进器使航天器减速是难以控制的，因此过度减速可能会导致速度偏离预值进而航天器无法顺利进入大气层，甚至可能偏离轨道或反弹回太空，造成任务失败。
另一方面，由于航天器在轨道上运动的速度，也就是开始反向制动时的初速度较大（如许多在近地轨道飞行的人造卫星或空间站速度约在7.6-7.8km/s左右），再加上地球存在很大的引力，使航天器返回时向下的加速度较大，因此想要靠逆向推进器使航天器达到减速以致落地目的所需的燃料是难以估计的！由于空间限制，航天器一般很难携带这么多燃料。相反的是，返回舱在大气中摩擦洽洽正是其减速的主要来源，快速通过大气层可以有效消耗返回舱的动能，进而后续安全落地。
返回舱在大气层中气动生热 来源于网络因此，比起减速来减少气动加热产生的热量，使用由耐高温的材料做成的、具有冷却功能的热防护系统，明显是更实际有效的方法，这也是各国科学家们正在使用的方法。实际上在大气层中，返回舱表面的分子还会因为气动加热产生的超高温度（可达1000°C以上）而分解或电离，在舱表面形成一个等离子层，其严重影响了电磁波的传播，因此在此阶段下，返回舱与地面是失联的，这个失联区域被被称为“黑障区”，高度一般在40到90km。“黑障区”问题与气动加热产生高温一样，都是现阶段无法彻底解决的问题。
参考文献：
罗刚桥. (1993). 卫星再入轨道误差分析. 航天器工程.陈思安, 周青, 李广德, & 胡海峰. (2019). 热防护系统——高超声速飞行器的"消防服". 科技传播, 11(20).汪清, 和争春, 方方, & 万宗国. (2004). 返回舱弹道重建与黑障区弹道再现研究. 宇航学报, 25(6), 6.
因为高层大气就是航天器返回的最佳减速器。
以神舟飞船为例，入轨质量约8吨，而长2F的发射质量接近500吨，其中推进剂质量接近440吨。
由此反推，如果完全依赖火箭减速，让重约3吨的返回舱从轨道返回地面，则返回舱＋减速火箭＋返回减速用燃料的总重量要高达200吨左右，而把这一坨发射到400公里轨道上，按照长2F的载荷比，地面发射质量要达到12500吨。
相比之下，利用气动减速，神舟飞船只需要消耗推进舱里的一点点燃料减速，让地球的引力把返回舱拉进大气层，再利用气动减速，这样只需要一个薄薄的防热大底和重90公斤的主伞，就能让飞船平安返回地面了。
