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？
2023-11-03 13:58:38
作者：科普中國 來源：科普中國
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神舟十六號順利回家，很多朋友都看到了直播或者新聞。不少朋友可能已經注意到，返回艙在地面上的照片，有的看起來金燦燦，有些則是黑黢黢，這是怎么回事呢？從新華社發布的這張照片來看，神舟十五的返回艙就是黑漆漆的 圖片來自新華社記者 任軍川 攝神舟十六號返回艙及宇航員出艙 圖片來自新華社 李剛攝這確實不是因為拍攝色差、光照等問題，是返回艙再入大氣層時，確實有一面被“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。其實并沒有，我們翻翻過往資料，就會發現，一直追溯到神舟一號，歷代返回艙都是這樣的一面黑一面光。這個燒蝕不均，其實是設計出來的。飛船返回艙再入大氣層時，速度高達每秒 7.9 千米，要想消耗掉這么大的動能，讓返回艙把航天員們安全帶回來，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。首先是會直接傷害里頭的航天員。雖然航天員身體素質百里挑一，并且經過種種訓練，甚至能夠承受 8 到 9 個地球重力加速度。但航天員畢竟是肉身，超過極限，就很難保證安全了。而減速如果過猛，就可能導致航天員負荷過重甚至受傷。剎車過猛還可能導致返回艙過熱造成危險。有很多人拍到神舟再入大氣層時的壯觀場面，返回艙在前面飛，推進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。返回艙迎風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）。假如溫度再高些，返回艙很可能就會燒掉。因此，為了柔緩減速，返回艙再入大氣層時，它的鈍頭防熱大底并不正對著飛行方向（因為這樣阻力過大，會增加航天員負擔和返回艙燒毀的風險），而是略微偏向地球一點點。
阿波羅返回艙示意圖，注意前進方向和返回艙底部有一個夾角 圖片來自NASA
就像一個滑水運動員，半撞半漂地在大氣中飛行。這樣，返回艙不會過熱，里面的航天員也感覺舒服得多，這種再入的方式叫做“半彈道式”。而防熱大底的形狀差不多是個弧形，稍微朝下偏一點點，它的上方就更加頂風，就像我們迎著大風跑的時候，整個臉朝前的話，就會睜不開眼，無法呼吸。而稍微低一下頭，這些問題就解決了，而不怕吹的腦門子只好承受更猛的風。所以，略微低著頭再入大氣層的返回艙的朝上一側會更熱一些，也更黑一點。而另一面溫度較低，就能保持金燦燦的模樣。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，從而避免艙體過熱。這個道理也很簡單，我們都知道煮湯水熬干了才會糊鍋，就是因為沸騰的水在變成水蒸氣的時候帶走了大量熱量，能讓鍋內溫度保持在沸點。每次神舟返回都要用到這些技術，這次神舟十六還更進一步，在防熱涂層上加了一點創新。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程中能通過窗口觀察外部情況，返回艙落地后，地面搜救人員也能通過窗口觀察艙內。這是中國科學院上海硅酸鹽研究所的杰作，贊美他們！說到這里再補充一點，如果我們去翻翻神舟十五號的照片就會發現一個奇怪的現象，如下圖所示，返回艙這個底看起來不是挺干凈的嗎？完全沒有燒黑啊，這又是怎么回事？原來，這并不是返回艙原本的底部。原本的防熱大底是這樣的↓防熱大底裝在返回艙底部，返回艙返回時，它將承擔最重的防護任務，面對最嚴峻的挑戰，確實會被燒得黑不溜秋。但是等返回艙打開減速傘一段時間后，防熱大底就會被拋掉。
那個模糊的影子就是被拋掉的防熱大底
拋掉防熱大底后，返回艙繼續降落，最后落地前還會點燃幾個固體反推火箭，最后剎個車，好讓航天員們平安落地。最后咱們來復習一下本文重點，返回艙確實有一個方向會被燒黑，另一個方向則看起來光亮許多，這是返回艙進入大氣層減速時的姿態造成的。而返回艙被燒黑的地方，其實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揮作用的證明。
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