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嫦娥五号成功着陆地球!为何嫦娥五号返回时会燃烧,升空时却不会?

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嫦娥五号成功着陆地球!为何嫦娥五号返回时会燃烧,升空时却不会?

目前,嫦娥五号已经带着月壤成功降落到地球上,创造了中国航天的又一里程碑。嫦娥五号这一路走来,困难重重,但都被我国航天科技人员逐一克服,最终圆满地完成了嫦娥五号的月球采样返回地球任务。

嫦娥五号最后这一步走得可谓是惊心动魄,返回器以将近11公里/秒的超高速度冲入地球大气层,导致返回器的外表温度剧烈升高到上千度。稍有不慎,就会导致返回器烧毁,宝贵的月壤也会随之化成灰烬。

嫦娥五号成功着陆地球!为何嫦娥五号返回时会燃烧,升空时却不会?

相比之下,嫦娥五号当初离开地球时,并没有遭遇如此的高温,外表不会灼烧起来。那么,嫦娥五号同样穿过地球大气层,为什么返回时会遭遇高温,剧烈燃烧,而升空时却不会呢?

嫦娥五号的升空

为了完成飞向月球、登陆月球、月壤采样、飞离月球以及返回地球这一系列复杂的任务,嫦娥五号要比之前的嫦娥探测器复杂得多,重量也要大得多,其总质量高达8.2吨。想要把这么重的嫦娥五号送到月球上,就需要用到我国现役推力最强的火箭——长征五号,也就是大家所熟知的“胖五”。

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但由于越接近地表,大气越稠密,空气阻力也会越大。空气阻力与速度平方成正比,随着速度的加快,阻力将会急剧增加。因此,长征五号载着嫦娥五号在稠密的大气中飞行时,速度并不会加速到很快的程度,气动加热效应并不强烈。

100公里被认为是太空的分界线,也是速度的分界线。当火箭飞到100公里的高度时,它的速度一般不到3公里/秒。而在50公里以下的大气层内时,速度更小,气动加热效应并不会让火箭外层燃烧起来。

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一旦进入太空之后,空气阻力非常小,气动加热效应可以忽略,火箭加速更加容易,火箭入轨所需的速度很大部分都是在太空完成加速的。因此,嫦娥五号升空时,不会面临高温问题。

嫦娥五号的返回

嫦娥五号完成月壤采样后,从38万公里外的月球飞回地球。在强大的地心引力作用下,嫦娥五号几乎是做自由落体运动掉向地球。经过超长距离的加速,而且太空又没有空气阻力,当嫦娥五号将要进入地球大气层之前,其速度将会高达10.9公里/秒,这与第二宇宙速度只差了300米/秒。

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想要让返回器从如此高的速度减速为0,稳稳降落在地球上,无法通过反推火箭来实现,因为这需要非常多的燃料,这是不现实的。这个时候,当初阻碍嫦娥五号离开地球的大气层可以起到减速作用。

如果嫦娥五号的返回器以这么快的速度直接冲入地球大气层,将会难以承受巨大的热负荷和过载。为了解决这些问题,嫦娥五号采用类似石头在水上漂的方式再入大气层。

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返回器先以一定角度进入大气层,到达大约70公里的高度,被稠密的大气层反弹回太空,之后又进入大气层。这样返回器就能得到充分减速,然后正常返回地球。

不过,返回器的速度仍然非常快,气动加热效应非常强烈。需要注意的是,这并不是摩擦生热效应。而是返回器高速运动,剧烈压缩前方的空气,导致温度快速升高。返回器的外层有烧蚀材料,它们燃烧之后会带走大量的热量,从而确保返回器的安全。

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待到速度降低到一定程度,再打开降落伞,让返回器进一步减速,然后再稳稳落到地面上。说到这里,可能有些人会有疑问了,不能让返回器一开始就打开降落伞吗?

降落伞只有在稠密的大气中才能起到减速作用,当返回器的高度很高时,开伞没有任何意义。而且在返回器减速的早期,强大的气动加热效应会让打开的降落伞直接烧毁。

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最后,让我们一起欢迎嫦娥五号回家,祝贺中国航天又取得一个重大突破。接下来,宝贵的月壤将会是科学家关注的重点。

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