火箭发射卫星的时候穿过大气层没有因为摩擦燃烧，而返回时却因为摩擦燃烧了，为什么？

梁老师说事为您回答这个问题。

这个问题确实有意思，不管是卫星，还是飞船，在发射上去的时候，不存在摩擦燃烧。

可一旦从太空返回，不管是卫星，还是飞船，甚至是从发射过程中的火箭上掉落的残骸，都会遇到摩擦燃烧的问题。

而且从地面上，去看这些掉落下来的东西，一个个的都像一团燃烧的大火球，划着一条长长的尾巴，跟彗星似的。

说道这里，不免会产生一个疑问？

难道在发射的过程中，不存在摩擦生热吗？

怎么说呢？不管是从太空往下掉落东西，还是从地面太空中发射东西，都会产生摩擦生热的现象，只不过这两种情况下摩擦生热产生的热量有着很大不同的。

接下来，就来说说，发射和返回时候，为什么会产生如此巨大的差别。

第一个原因，整流罩。

整流罩一般位于运载火箭的顶部，这件装备相当于覆盖在火箭身上的一层铠甲。

它的作用，在地面上保证航天器能够在运载火箭内部有一个恒定的温度，湿度，以及清洁度。

在火箭升空的时候，保持运载火箭的气动外形，让火箭能够做到穿云破雾，防止放在里面的卫星免遭气动力和气动热，甚至是噪音，震动所产生的影响。

比如苏联的质子号运载火箭卫星整流罩射前罩内的温度，可以控制在十四到二十六点七摄氏度的水平，并且可以保持50％湿度的环境。

在整流罩分离之前，最高温度也就是三十三摄氏度。

这是一个很恐怖的数字。

好了接着说。

当运载火箭一旦飞出大气层之后，这个整流罩就没有用处了，就会沿着运载火箭的纵向分开，从运载火箭上脱离。（注：如今也有纵向和横向一块分开的）

所以整流罩就是一个在大气层中保护火箭的一件装备。

说道这里，很多人应该发现过一个问题。

发射航天器的运载火箭，它的火箭头部都是圆钝的锥形结构，而不是尖锐的。

在常识当中都明白，运载火箭它需要速度，只有达到第一宇宙速度，才能脱离地球的束缚。

如果将运载火箭的头部做出尖锐的圆锥形状，是很容易做到劈开空气，减少空气阻力，让运载火箭使用更少的燃料，尽快的达到第一宇宙速度。

而且运载火箭上最占重量的就是燃料，减少了燃料的重量，还能多搭载一些东西。

比如一般的小型火箭，头部都被做成了尖锐形状。

那么在这种常识下，为什么运载火箭的头部做成了圆钝的锥形呢？

其实这个形状，就是为了抵消空气摩擦产生热量的效果。

要知道小型的火箭，飞行速度也就是两倍到三倍的音速，这个速度对于摩擦生热来说，并不高，而且小型火箭飞行的时间仅仅维持十几秒的时间而已。

就算是有点热量产生，没等大量的热量聚集，十几秒之后小型火箭的任务也就完成了，所以小型火箭不会考虑摩擦生热的情况。

那么运载火箭就不一样了，它的飞行速度在加速的过程中，不断攀升，可以达到十几倍的音速，而且飞行的时间也有数分钟。

所以在这种恐怖的速度之下，产生的热量是相当恐怖的，往往可以达到几千摄氏度的高温，这种高温在数分钟的聚集之下，甚至不用数分钟，仅仅几秒钟，就可以让大多数的金属构建软化，变形，甚至是解体。

所以对于运载火箭来说，摩擦生热绝对是一个首要考虑的问题。

当时的科研人员，首先想到的是，利用空气动力学和流体力学来解决这个问题。

他们通过大量的风洞试验，最终了解到了在超高音速飞行的运载火箭如果将头部做成了圆钝形状，在高速飞行下，这个头部就会和相对而行的超高温气流之间，形成一个空气隔层。

这就相当于给高速飞行的运载火箭，在头部安装上了一个空气盾，将热流直接给推开了。

说道这里，会产生一个问题，空气盾也是介质，数分钟的热传导也会让它变成高温，这还能起到隔绝效果？

怎么说呢？这个空气盾里边的空气，并不是不流通的，里边的空气流通速度是非常快的。

当空气盾里的空气经过热传递，快加热到运载火箭表面的时候，就已经全被新的冷却空气给替代掉了。

所以这个不用担心。

真正需要担心的是，这个圆钝形状的头部，并不是随随便便做一个就可以的，是需要经过精密的计算才能达到的一个效果。

稍微尖锐一点，这个空气盾就破了，或者空气流动的速度不快，达不到降温的作用；如果做得稍微钝那么一点，就又会造成空气的阻力增大，到时候就需要用更多的燃料去弥补这个缺陷，造成运载火箭的运载能力的下降。

再有就是，这个圆钝形的火箭头，并不是说一成不变的，一招鲜吃遍天，而是要根据卫星，探测器或者发射的飞船，尺寸和规格的不同，粗细还变得不同。

更为重要的是，如果运载火箭的任务是不相同，就算是同一款运载火箭，圆钝的头部各种数据，都要推倒重新计算和设计的。

所以别看一个其貌不扬的整流罩，这可是大学问，只有极少数的几个航天大国才会掌握的知识。

在一定程度上，这个整流罩的好坏，直接代表着一个国家对于流体力学和空气动力学掌握的水平高低。

如果一个国家造不出合适的整流罩，购买通用的整流罩是一百元的话，那么购买一款专门为他自己量身打造的整流罩就需要一百七十五元，多出了75％的价格。

关于这一点，最后说一句。

整流罩感觉用完一次，就没有多大作用了，一次性的东西。

但火箭身上的很多东西，都是很值钱的，包括这个整流罩。

很多国家都开始研发，如何能够将整流罩安全地从高空带回来的技术，对整流罩进行回收和重复使用。

（注：别的不说，整流罩的材料使用的就是高强度，轻质，耐高温的材料，这些材料也很贵的，回收使用还是很有价值的。）

过去世界上就只有美国的Space公司掌握了这项技术，关于这项技术最近我们也掌握了。

其实这项技术不仅可以利用到整流罩当中，还可以进一步扩展到对返回式航天器的精准定点无损回收，对于救灾物质的精准投放也有促进作用。

第二个原因。

运载火箭的发射，是逐步加速的过程，所以这个时候摩擦生热对于运载火箭来说，是一个缓慢的过程。

而航天器返回的时候，是以一个非常高的速度，猛地一下扎入大气层的。所以航天器在返回的时候，一接触大气层的时候，这个摩擦生热所产生的温度就是极高的。

具体是怎么回事呢？

运载火箭在开始点火的时候，是静止不动的。

当发动机推着火箭离开地面的时候，这个速度其实并不快，远远没有超过音速。

此后随着火箭推力不断地加大，速度开始慢慢提升。

而这个过程始终在稠密的大气层里进行，那么当火箭的速度变的越来越快的时候，火箭的高度也在变的越来越高，与此同时周围的空气也会越来越稀薄。

根据资料显示，当火箭突破稠密空气段的大气层（大约是一百公里的高度），火箭的速度仅仅达到了三公里每秒。

比如土星五号火箭，第一级从火箭上脱落之后，也仅仅是将火箭送到六十八公里的高度，速度是二点七六公里每秒。

二级可以将火箭送入到一百七十公里，速度达到七公里每秒。

等到三级将火箭送入到近二百公里的位置上，速度才达到了七点七五公里，还是比第一宇宙速度小一点。

所以当火箭突破空气稠密段的时候，三公里每秒的速度看起来很大，但对于空气摩擦生热来说，就算是一道开胃小菜，远远达不到可以威胁到火箭的温度。

可以说，这个时候的火箭速度相对来说是很低的，毕竟第一宇宙速度是七点九公里每秒，差一半还多。

火箭在往上走，速度很快攀升，但此刻空气的密度也会随之下降，所以空气摩擦生热的效果会有，但会减弱。

那么回头看看飞船返回的过程。

飞船之所以能在太空中，围绕地球转动，是因为他始终保持着七点九公里每秒的速度。

也就是说，当飞船返回地球的时候，飞船是以七点九公里每秒的速度进入到大气层的。

当然刚开始的时候，飞船也会受到空气的阻力作用，让飞船的速度降低。

但问题是，一百公里以上的空气密度不高，只会让飞船的速度做到一小点的减速。

当飞船距离地面一百公里，也就是进入到空气稠密区的时候，飞船的速度是七点八公里每秒。

也就是说，飞船的速度基本上就没有变。

那么飞船以这个速度，一头扎入到空气稠密区，不用想了，这个时候，空气摩擦所产生的热量是相当高的。

这个时候可没有什么整流罩进行防护的，所以在地面上看到返回的飞船，像一个大火球一样，就成为了一种必然现象。

说道这里问题就来了，这个时候飞船都成了火球了，降落到地面，也没有见烧毁啊！

第一个原因是飞船本身就是耐高温的材料制作而成的。

第二个原因是飞船有一块防热盾，对这些热量进行隔离。

第三个原因是飞船的底部是平的，是一个钝体，不是尖锐的。

接下来分析一下这三个原因。

想要分析这三个原因，还得掌握一个知识。

激波加热。

什么意思呢？

当物体以一个低速从后向前运动，或者从高空向地面运动的时候，这个时候是没有激波加热的，空气会被物体分开，只会在物体的身边形成一股风，感觉还挺凉快的。

但如果变成高速，比如达到第一宇宙速度的时候。

物体在运动的过程中，空气基本上就是没有速度，或者说来不及反应，就被高速运动的物体给压缩了。

这块空气的密度就会变大，温度也会变高。

为什么空气的温度变高呢？这就相当于对空气做功了，初中物理还做过类似的试验，猛地拍一下活塞，玻璃筒里粘着乙醚的棉花就会着火。

那么这个激波产生的热量，可要比点燃乙醚棉花的那点热量高多了，至少得几千摄氏度。

而高速运动的物体，在不断地推进过程中，这些压缩空气只能越来越多，最终覆盖在高速运动物体的表面，这就形成了激波加热。

所以不管是卫星还是飞船在返回的时候，最大的敌人其实并不是摩擦生热，而是激波加热。

好了，激波加热就说道这里，接着说说三个原因。

第一个原因好理解，使用耐高温的材料制作飞船船体。

第二个原因需要解释下了。

防热盾是什么意思呢？

这是一种导热率非常低的材料，可以抵挡几千摄氏度的高温。（必要的时候，上万度的高温都是可以的）

不仅能将飞船里的设备和宇航员保护起来，还可以将激波产生的热量，很快疏导到周围的环境中。

这些防护盾有可以重复利用的，也有一次性的。

比如可以重复利用的，一般是在航天器的表面覆盖一层盔甲一样抗热层，但这个抗热层是比较脆弱的，大多使用的是多空玻璃纤维材料，一般用于航天飞船。

毕竟一般的飞船，是挂在降落伞上砸在地面上的，脆弱的抗热层是承受不住这种冲击的，可以重复利用没有多大意义。

而一次性的是用玻璃纤维或者是泡沫塑料制作而成，他的特点是，遇到热量就会由固体变成气体，通过汽化将热量带走。

这样的一次性的防护盾可以承受一万摄氏度以上的高温。

比如当年的伽利略号探测器，在进入到木星大气层的时候，使用的就是一次性的防热盾。

当时伽利略探测器是以四十八公里每秒的速度进入到木星大气层的。

要知道第三宇宙速度也就是十六点七公里每秒，所以伽利略号探测器的这个速度已经是第四宇宙速度的三分之一了。

那么由此产生的激波加热温度，相当恐怖，达到了一万六千摄氏度，伽利略号探测器每一个平方厘米就要承受四十三千瓦的热密度。

所以当时伽利略号探测器上有三分之二的重量，是这些一次性的防热盾。

第三个原因，目前看到的飞船底部都是钝体的，也就是平的。

这么做不仅仅是为了让飞船落地的时候，有一个平稳面，更重要的是，在平底上装上防热盾，可以很好的屏蔽来自底部的热量，相当于为飞船提供了一个相当好用的盾牌。

而尖锐的底部，会让整艘飞船都承受这种激波热量的冲击。

这也是为什么，飞船返回之后，看到的飞船通体是黑色的，而顶部却是原来的白色的原因。

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