神舟十六號(hào)順利回家,很多朋友都看到了直播或者新聞。不少朋友可能已經(jīng)注意到,返回艙在地面上的照片,有的看起來(lái)金燦燦,有些則是黑黢黢,這是怎么回事呢?
從新華社發(fā)布的這張照片來(lái)看,神十五的返回艙就是黑漆漆的 圖片來(lái)自新華社記者任軍川攝
神舟十六號(hào)返回艙圖片來(lái)自新華社李剛攝
神舟十六號(hào)返回艙及宇航員出艙 圖片來(lái)自新華社李剛攝
為什么返回艙只有一面黑黢黢?
這確實(shí)不是因?yàn)榕臄z色差、光照等問(wèn)題,是返回艙再入大氣層時(shí),確實(shí)有一面被“熏黑了”,但另一面則比較干凈,換著角度拍,大家就看到了不同的樣子。
???居然燒得不均勻,是不是出了安全事故?其實(shí)并沒(méi)有,我們翻翻過(guò)往資料,就會(huì)發(fā)現(xiàn),一直追溯到神舟一號(hào),歷代返回艙都是這樣的一面黑一面光。
神舟一號(hào)返回艙
這個(gè)燒蝕不均,其實(shí)是設(shè)計(jì)出來(lái)的。飛船返回艙再入大氣層時(shí),速度高達(dá)每秒7.9千米,要想消耗掉這么大的動(dòng)能,讓返回艙把航天員們安全帶回來(lái),就得靠大氣層幫忙給剎剎車,但我們一方面希望大氣層能把它剎住車,另一方面又不希望剎得太猛。
如果大氣剎車過(guò)猛會(huì)怎樣呢?
首先是會(huì)直接傷害里頭的航天員。雖然航天員身體素質(zhì)百里挑一,并且經(jīng)過(guò)種種訓(xùn)練,甚至能夠承受8到9個(gè)地球重力加速度。但航天員畢竟是肉身,超過(guò)極限,就很難保證安全了。而減速如果過(guò)猛,就可能導(dǎo)致航天員負(fù)荷過(guò)重甚至受傷。
剎車過(guò)猛還可能導(dǎo)致返回艙過(guò)熱造成危險(xiǎn)。有很多人拍到神舟再入大氣層時(shí)的壯觀場(chǎng)面,返回艙在前面飛,推進(jìn)艙一邊解體一邊在后面追,就像兩顆火流星,一顆受控,一顆不受控。
神舟十六進(jìn)入大氣層 圖片來(lái)自新華社視頻
返回艙迎風(fēng)面的大氣被猛烈壓縮,瞬間升溫到一兩千攝氏度,電離周圍的大氣,形成包裹在返回艙周圍的等離子鞘(這也是通信“黑障”的由來(lái))。假如溫度再高些,返回艙很可能就會(huì)燒掉。
因此,為了柔緩減速,返回艙再入大氣層時(shí),它的鈍頭防熱大底并不正對(duì)著飛行方向(因?yàn)檫@樣阻力過(guò)大,會(huì)增加航天員負(fù)擔(dān)和返回艙燒毀的風(fēng)險(xiǎn)),而是略微偏向地球一點(diǎn)點(diǎn)。
阿波羅返回艙示意圖,注意前進(jìn)方向和返回艙底部有一個(gè)夾角 圖片來(lái)自NASA
就像一個(gè)滑水運(yùn)動(dòng)員,半撞半漂地在大氣中飛行。這樣,返回艙不會(huì)過(guò)熱,里面的航天員也感覺(jué)舒服得多。這種再入的方式叫做“半彈道式”。
圖片來(lái)自pixabay.com
而防熱大底的形狀差不多是個(gè)弧形,稍微朝下偏一點(diǎn)點(diǎn),它的上方就更加頂風(fēng),就像我們迎著大風(fēng)跑的時(shí)候,整個(gè)臉朝前的話,就會(huì)睜不開眼,無(wú)法呼吸。而稍微低一下頭,這些問(wèn)題就解決了,而不怕吹的腦門子只好承受更猛的風(fēng)。
所以,略微低著頭再入大氣層的返回艙的朝上一側(cè)會(huì)更熱一些,也更黑一點(diǎn)。而另一面溫度較低,就能保持金燦燦的模樣。
返回艙被“燒糊”是怎么回事?
那些黑黢黢的東西是什么呢?并不是返回艙艙體被燒糊了,而是艙體表面的防熱涂層留下了碳化物遺跡。面對(duì)高溫,我們不能硬扛,這些燒蝕材料的涂層升華脫落,就可以帶走大量熱量,從而避免艙體過(guò)熱。
這個(gè)道理也很簡(jiǎn)單,我們都知道煮湯水熬干了才會(huì)糊鍋,就是因?yàn)榉序v的水在變成水蒸氣的時(shí)候帶走了大量熱量,能讓鍋內(nèi)溫度保持在沸點(diǎn)。
材料燒蝕過(guò)程示意圖來(lái)自文獻(xiàn)[1]
材料燒蝕前后比較 來(lái)自文獻(xiàn)[1]
每次神舟返回都要用到這些技術(shù),這次神舟十六還更進(jìn)一步,在防熱涂層上加了一點(diǎn)創(chuàng)新。在返回艙舷窗部位的涂層具有自清潔功能,能夠防止燒蝕污染,保證航天員在返回過(guò)程中能通過(guò)窗口觀察外部情況,返回艙落地后,地面搜救人員也能通過(guò)窗口觀察艙內(nèi)。這是中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的杰作,贊美他們!
返回艙底為什么沒(méi)變黑?
說(shuō)到這里再補(bǔ)充一點(diǎn),如果我們?nèi)シ裰凼逄?hào)的照片就會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪的現(xiàn)象,如下圖所示,返回艙這個(gè)底看起來(lái)不是挺干凈的嗎?完全沒(méi)有燒黑啊,這又是怎么回事?
神舟十五號(hào)返回艙圖片來(lái)自新華社 任軍川攝
原來(lái),這并不是返回艙原本的底部。原本的防熱大底是這樣的↓
神舟飛船返回艙防熱大底 圖片來(lái)自央視新聞?lì)l道
防熱大底裝在返回艙底部,返回艙返回時(shí),它將承擔(dān)最重的防護(hù)任務(wù),面對(duì)最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),確實(shí)會(huì)被燒得黑不溜秋。
防熱大底示意圖 圖片來(lái)自文獻(xiàn)[2]
但是等返回艙打開減速傘一段時(shí)間后,防熱大底就會(huì)被拋掉。
那個(gè)模糊的影子就是被拋掉的防熱大底
拋掉防熱大底后,返回艙繼續(xù)降落,最后落地前還會(huì)點(diǎn)燃幾個(gè)固體反推火箭,最后剎個(gè)車,好讓航天員們平安落地。
圖片來(lái)自新華社 李剛攝
最后咱們來(lái)復(fù)習(xí)一下本文重點(diǎn),返回艙確實(shí)有一個(gè)方向會(huì)被燒黑,另一個(gè)方向則看起來(lái)光亮許多,這是返回艙進(jìn)入大氣層減速時(shí)的姿態(tài)造成的。而返回艙被燒黑的地方,其實(shí)是艙體表面的防熱涂層被高溫破壞后留下的碳化物。這些斑駁的痕跡,正是種種防熱措施順利發(fā)揮作用的證明。
參考文獻(xiàn)
[1]方洲,梁馨,鄧火英,董彥芝,代曉偉.蜂窩增強(qiáng)低密度硅基燒蝕防熱材料性能[J].宇航材料工藝,2021,51(05):79-83.
[2]董彥芝.神舟飛船防熱大底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].航天器工程,2002,11(4):4.DOI:CNKI:SUN:HTGC.0.2002-04-007.
作者丨曲炯 科普創(chuàng)作者
審核丨劉勇 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員