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目前,嫦娥五號已經帶著月壤成功降落到地球上,創造了中國航天的又一里程碑。嫦娥五號這一路走來,困難重重,但都被我國航天科技人員逐一克服,最終圓滿地完成了嫦娥五號的月球取樣返回地球任務。

嫦娥五號最後這一步走得可謂是驚心動魄,返回器以將近11公里/秒的超高速度衝入地球大氣層,導致返回器的外表溫度劇烈升高到上千度。稍有不慎,就會導致返回器燒燬,寶貴的月壤也會隨之化成灰燼。

相比之下,嫦娥五號當初離開地球時,並沒有遭遇如此的高溫,外表不會灼燒起來。那麼,嫦娥五號同樣穿過地球大氣層,為什麼返回時會遭遇高溫,劇烈燃燒,而升空時卻不會呢?

嫦娥五號的升空

為了完成飛向月球、登陸月球、月壤取樣、飛離月球以及返回地球這一系列複雜的任務,嫦娥五號要比之前的嫦娥探測器複雜得多,重量也要大得多,其總質量高達8.2噸。想要把這麼重的嫦娥五號送到月球上,就需要用到我國現役推力最強的火箭——長征五號,也就是大家所熟知的“胖五”。

但由於越接近地表,大氣越稠密,空氣阻力也會越大。空氣阻力與速度平方成正比,隨著速度的加快,阻力將會急劇增加。因此,長征五號載著嫦娥五號在稠密的大氣中飛行時,速度並不會加速到很快的程度,氣動加熱效應並不強烈。

100公里被認為是太空的分界線,也是速度的分界線。當火箭飛到100公里的高度時,它的速度一般不到3公里/秒。而在50公里以下的大氣層內時,速度更小,氣動加熱效應並不會讓火箭外層燃燒起來。

一旦進入太空之後,空氣阻力非常小,氣動加熱效應可以忽略,火箭加速更加容易,火箭入軌所需的速度很大部分都是在太空完成加速的。因此,嫦娥五號升空時,不會面臨高溫問題。

嫦娥五號的返回

嫦娥五號完成月壤取樣後,從38萬公里外的月球飛回地球。在強大的地心引力作用下,嫦娥五號幾乎是做自由落體運動掉向地球。經過超長距離的加速,而且太空又沒有空氣阻力,當嫦娥五號將要進入地球大氣層之前,其速度將會高達10.9公里/秒,這與第二宇宙速度只差了300米/秒。

想要讓返回器從如此高的速度減速為0,穩穩降落在地球上,無法透過反推火箭來實現,因為這需要非常多的燃料,這是不現實的。這個時候,當初阻礙嫦娥五號離開地球的大氣層可以起到減速作用。

如果嫦娥五號的返回器以這麼快的速度直接衝入地球大氣層,將會難以承受巨大的熱負荷和過載。為了解決這些問題,嫦娥五號採用類似石頭在水上漂的方式再入大氣層。

返回器先以一定角度進入大氣層,到達大約70公里的高度,被稠密的大氣層反彈回太空,之後又進入大氣層。這樣返回器就能得到充分減速,然後正常返回地球。

不過,返回器的速度仍然非常快,氣動加熱效應非常強烈。需要注意的是,這並不是摩擦生熱效應。而是返回器高速運動,劇烈壓縮前方的空氣,導致溫度快速升高。返回器的外層有燒蝕材料,它們燃燒之後會帶走大量的熱量,從而確保返回器的安全。

待到速度降低到一定程度,再開啟降落傘,讓返回器進一步減速,然後再穩穩落到地面上。說到這裡,可能有些人會有疑問了,不能讓返回器一開始就開啟降落傘嗎?

降落傘只有在稠密的大氣中才能起到減速作用,當返回器的高度很高時,開傘沒有任何意義。而且在返回器減速的早期,強大的氣動加熱效應會讓開啟的降落傘直接燒燬。

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