神舟十六航天員安全出艙！返回艙的照片有的黑有的金，怎么回事？

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