为什么渴望返回地球的航天器总是很难穿过大气层?

文章作者:管理一号 | 2019-11-16
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让航天器敏捷穿透大气层是一件容易做到的事情,它会像流星相同燃烧起来,可是问题是我们需要让航天器慢慢地穿透大气层。虽然理论上这也是可以做到的,可是假如用的是普通火箭,则将要耗费大量燃料。我们也可以用空气制动来完成,包括用轨道飞艇惊人地缓慢地重返大气层。在不久的将来,还可能有一些其他的方法,比方太空电梯,或者旋转“天钩”。

为什么渴望返回地球的航天器总是很难穿过大气层?

为了了解普通火箭为何难以穿透大气层,这里有一个关于轨道的有趣的知识。假如你能往大气层上方扔一个球,重力仍然会像地球上一样把它拉下来。假如你把它扔得足够快,它会在撞击地球之前就已经超出地平线,而地球的引力会持续把它拉成曲线,直到它回到起点。这就是为什么像国际空间站这样的卫星能一直保持在轨道上,也就是为什么这常常被称为自由落体。

为什么渴望返回地球的航天器总是很难穿过大气层?

假如要在轨道上掠过地球大气层,航天器必须至少以每秒7.8公里的速度飞翔,即大约每小时17500英里。而地球连同它的大气层,时时刻刻以每小时1000英里的速度向东旋转。所以我们可以让宇宙飞船绕地球旋转的同一方历来运转,以此来下降回归速度。不过,这只是帮了一个很小的忙,宇宙飞船还是得以每小时16500英里的速度相对于我们的大气层飞翔,才干一直保持在轨道上。

为什么渴望返回地球的航天器总是很难穿过大气层?

若航天器在掠过大气层时,以低于这个速度的速度飞行,哪怕是小小的速度差,比如每小时几百英里,它都会在完成设定轨道之前落回地球。此时航天器将会以每小时数千英里的速度撞击大气层,并像一颗炽热的火球一样穿透大气层。此时航天器需要依靠外壳来免受高温的伤害。

为什么渴望返回地球的航天器总是很难穿过大气层?

比如2015年12月11日,联盟TMA17M航天器在416.7公里高度的近地轨道绕行,后改变速度,以每秒128米或每小时286英里的速度回归地球。

但我们就不能像登月舱飞行员在月球表面回旋扭转相同在大气层上空回旋扭转吗?你可能还记得阿波罗11号登月舱在着陆时简直耗尽燃料,由于航天器的核算系统把它们带到一个满是陨石坑的陡坡上,那里有许多如轿车大小一般的岩石。

为什么渴望返回地球的航天器总是很难穿过大气层?

当尼尔·阿姆斯特朗在叙述他的着陆时,他说他经过人工操作,像“直升机一样”地飞向西方,去寻觅一个好的着陆点。在月球引力很弱的情况下,火箭推力足以完结这个使命。而在地球较重的引力作用下,做这样的盘旋将需求大量的燃料。所需燃料的量非常大,以至于当飞船充溢这些燃料时,需求做到简直和你在电视上看到的那些将飞船送入轨迹的火箭的尺度一样大!实在是太大了!

为什么渴望返回地球的航天器总是很难穿过大气层?

但如果能使用高功率密度的燃料,比方反物质,一种能把物质直接转化为能量的燃料,或者是核聚变的燃料,问题就很容易解决。航天器只需要不断地以1g来坚持它减速时的方位,就可以如所希望的那样缓慢或快速地降落到地上。

但我们还没有这样的燃料。那还有别的办法吗?

太空电梯

咱们可以用太空电梯把宇宙飞船缓慢地降落到大气层。这是一个巨大的升力,它的顶部离咱们的大气层很远,乃至超出了地球的静止轨迹,而尾部在赤道方位的地上。它由一个在地球静止轨迹上方的平衡物固定并拉紧。这段视频介绍了它的作业原理,并且在视频开头对轨迹的知识进行了回忆。

为什么渴望返回地球的航天器总是很难穿过大气层?

航天器能够在地球的停止轨迹进行对接,这很容易做到,只要确保飞翔器飞翔的方向与地球旋转的方向共同,飞翔器便能够在地球上的同一点上一直坚持停止,并且相对于电梯的顶部坚持停止,它就能够像国际空间站那样慢慢停靠。

为什么渴望返回地球的航天器总是很难穿过大气层?

一旦做到了这一点,就可以脱离飞船,或许把飞船连接到电梯上,然后以200英里每小时的速度,或许觉得舒适和安全的任何速度,慢慢地沿着电梯向下走,直到抵达地球表面。在下降的过程中,将会感觉到重力从零重力逐渐增加到全重力。

为什么渴望返回地球的航天器总是很难穿过大气层?

阿瑟·C·克拉克的科幻小说《天堂的喷泉》正是基于这一理念。

太空电梯是一个巨大的工程项目,在制作之前要处理很多问题。不过,当前存在的一个问题是它的制作资料。这个工程要求电缆能够承受数千公里的距离带来的变化。然而现在的资料,比方Kevlar和稍强的Zylon,只能支撑几百公里。实验室制备的碳纳米管关于太空电梯来说足够巩固,但实际上,当被制成更大的电缆时,会因为一些缺点导致它们的作用比Kevlar还弱。尽管利用Kevlar或Zylon在重力较弱的月球上制作太空电梯是可能实现的,但在地球上是不可能的。以后我们再对此进行详细介绍,同时也探讨其他的方法。

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