“流星”和“航天器”,在空氣中穿梭的勇者
發(fā)布時(shí)間:2023-01-30
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流星雨,一直是宇宙中浪漫而神秘的存在,許多人都期待著親眼目睹流星劃破天際的美景。一般到了年底,能觀測到的流星雨還有很多,比如11月份的獵戶座流星雨,以及12月份的雙子座流星雨等等。

大家在觀賞這些流星雨的時(shí)候有沒有想過一個(gè)問題:流星為什么會(huì)發(fā)熱、發(fā)光呢?

美麗迷人的流星雨(圖片來源:veer圖庫)

很多人可能以為,流星的光是由于隕石進(jìn)入大氣層和大氣層的空氣摩擦生熱而引起的,其實(shí)這樣說在很大程度上是不對的。事實(shí)上,隕石在進(jìn)入大氣層后所產(chǎn)生的熱量大部分都是由于空氣的壓縮而產(chǎn)生的,摩擦空氣產(chǎn)生的熱量只是很小的一部分。隕石壓縮空氣產(chǎn)生的熱量最終使隕石燃燒發(fā)光,形成曇花一現(xiàn)的流星,大多數(shù)隕石最終也在高溫下燃燒殆盡。下面我們來解說一下這個(gè)過程。

隕石在進(jìn)入大氣層后,壓縮了它前面的空氣,使得隕石前面的空氣溫度迅速升高至幾千度,然后點(diǎn)燃了隕石,從而使隕石發(fā)光變成了我們可以看見的流星。也就是說,是壓縮空氣成就了流星的凄美“絕唱”,而不是摩擦空氣。

隕石進(jìn)入大氣層后,最先燃燒的是隕石前端空氣被壓縮最厲害的部分(圖片來源:https://sputniknews.com/science/201804291064008986-five-asteroids-heading-past-earth-today/)

壓縮空氣為什么會(huì)產(chǎn)生大量的熱量呢?這其實(shí)和能量守恒定律有關(guān)系。當(dāng)隕石進(jìn)入大氣層時(shí),速度是非??斓模ㄍǔJ菐资酌棵耄?,這時(shí)隕石前部的空氣無法快速地被“擠到”隕石周圍,因此會(huì)被迅速壓縮。根據(jù)能量守恒定律,對氣體壓縮所做的功會(huì)轉(zhuǎn)為氣體的內(nèi)能,進(jìn)而表現(xiàn)為氣體溫度的升高。

這種現(xiàn)象在日常生活中很常見,例如我們用打氣筒給輪胎打氣,由于我們在壓縮氣體做功,打氣筒內(nèi)的空氣溫度會(huì)升高,因而打氣筒會(huì)發(fā)熱。同理,由于隕石前部的空氣被壓縮的非常厲害,因此溫度也會(huì)升的非常高,通常會(huì)在2000攝氏度左右,在這么高的溫度下,大多數(shù)隕石都會(huì)被燒毀,地球上的生命也因此得到了有效的保護(hù)。

當(dāng)然,還是會(huì)有極少數(shù)比較耐燃的隕石在未燃燒完就降落到了地球,這就是我們在各種航天博物館里見到的隕石了。這種隕石一般都十分稀少,是十分寶貴的科學(xué)研究材料。

對于各種人造航天器(包括人造衛(wèi)星、載人飛船,甚至是空間站等)返回大氣層時(shí)發(fā)光發(fā)熱,原理和隕石其實(shí)是相近的,它們的壓縮空氣的效率甚至比隕石還高。這里我們就用載人飛船的返回艙來舉例說明。載人飛船返回艙的形狀一般都如下所示:

阿波羅登月飛船的返回艙(圖片來源:http://www.pinsdaddy.com/apollo-command-module-model_3Zsivj3AOYNXNR0BgInRlmH9JmWQBRPkGA8FmDvWHbQ/)

或者是這樣的:

神舟十號(hào)載人飛船返回艙(圖片來源:人民圖片網(wǎng),方陽攝)

盡管在細(xì)節(jié)上可能有所不同,但它們的樣子都是大同小異——上小下大,并且下面是一個(gè)很鈍的平面。這樣的鈍形平面能保證被壓縮的空氣產(chǎn)生的熱量主要集中于航天器鈍形一面,而不會(huì)流失到航天器后面,從而有效的保護(hù)后面的航天員或者其他科學(xué)設(shè)備。因此,現(xiàn)在任何的載人航天器的返回艙都被設(shè)計(jì)成鈍形的。在返回艙返回大氣層時(shí),它的受熱情況大概如下所示:

返回艙壓縮空氣示意圖(圖片來源:https://www.quora.com/Why-does-a-spacecraft-heat-up-during-reentry)

可以看出,它的熱量主要集中在前部,因而處于后面的航天員就得到了有效的保護(hù)。當(dāng)然在返回艙進(jìn)入大氣層后會(huì)和大氣層產(chǎn)生摩擦,肯定也會(huì)產(chǎn)生一部分熱量,但是這部分熱量和壓縮空氣所產(chǎn)生的熱量相比是微不足道的。另外,載人飛船的返回艙的外殼是由防火耐高溫的材料制作的,因此不會(huì)像隕石那樣燃燒起來,但是高溫還是會(huì)把返回艙的外殼烤焦。

如下圖所示的我國神舟號(hào)載人飛船的返回艙,大家可以和上圖進(jìn)入太空前的返回艙對比一下,就會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)是被“烤焦”了的返回艙。

返回地球后的神舟號(hào)返回艙(圖片來源:https://commons.wikimedia.org/wiki/Shenzhou)

對于其他的一些不耐燃的航天器,盡管形狀和返回艙不一樣,但是原理幾乎都是一樣的。進(jìn)入大氣層后,經(jīng)過一段時(shí)間,由于壓縮空氣產(chǎn)生的高溫,整個(gè)航天器都會(huì)燃燒起來。例如前蘇聯(lián)的“和平號(hào)”空間站和中國的“天宮一號(hào)”空間站墜毀的時(shí)候大部分部件都在大氣層中被燒成灰燼了,只有一小部分散落在了太平洋。

可能有的同學(xué)會(huì)問,為什么航天器在離開地球時(shí)不會(huì)發(fā)熱?原理其實(shí)很簡單,因?yàn)楦鞣N航天器(包括載人飛船,空間站,衛(wèi)星等等)離開地球時(shí)都是通過火箭來運(yùn)載的,火箭的形狀是流線型的,很容易“擠開”前進(jìn)方向的空氣,而摩擦產(chǎn)生的熱量相對來說又很小,因此火箭在離開地球時(shí)并不會(huì)經(jīng)歷很高的溫度考驗(yàn)。

長征系列火箭,可以看出火箭都有尖尖的頭部,目的之一就是為了更好的排開運(yùn)動(dòng)方向的空氣,減少阻力(圖片來源:http://calt.spacechina.com/n482/n498/index.html)

當(dāng)然,我們也可以用火箭來對返回地球的返回艙進(jìn)行減速,但是那樣就意味著雙倍的燃料,這不但增加了發(fā)射的費(fèi)用,而且會(huì)嚴(yán)重降低火箭的有效負(fù)荷,是一項(xiàng)費(fèi)力不討好的舉措。況且,大自然已經(jīng)給我們提供了——大氣層——這么好的免費(fèi)“剎車器”,為什么不去用呢?



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