返回舱进入大气层时产生极高温度的核心原因,可以概括为一句话:巨大的动能通过压缩空气,瞬间转化为惊人的热能。
下面我们来详细分解这个过程:
核心原理:压缩生热,而非摩擦生热
很多人第一反应是“摩擦生热”,就像快速搓手会发热一样。但实际上,空气压缩(或称“激波压缩”)是产生热量的最主要原因,摩擦只占一小部分。
1. 巨大的速度与动能
· 返回舱从太空返回时,速度高达每秒7公里以上(约每小时25,000公里,即第一宇宙速度)。这是一个极其巨大的能量。
2. 压缩空气做功
· 返回舱以超高速一头扎进大气层,它就像一堵墙,猛烈地撞击前方静止或低速的空气分子。
· 返回舱的速度远远超过空气分子能够“躲开”的速度,导致前方的空气被剧烈地压缩、堆积在返回舱前端,形成一个“空气垫”。
· 根据物理学中的能量守恒定律,返回舱巨大的动能不会凭空消失,它必须转化为其他形式的能量。在这个过程中,动能被用来对前方的空气做功,使其被极度压缩。
3. 动能转化为热能
· 当气体被剧烈压缩时,其内能会增加,表现为温度急剧升高。这个过程在物理学上被称为 “绝热压缩” 。一个生活中常见的例子是:给自行车打气时,打气筒的底部会发热,这就是压缩空气的结果。
· 返回舱的压缩效应比打气筒剧烈千万倍。被压缩的空气层温度可以瞬间升高到数千摄氏度,甚至超过太阳表面的温度!
这就是摩擦生热的具象化,所以在返回舱进入大气层有几分钟的黑暗期,速度降下来后温度就慢慢下降,所以这个返回舱的隔热层要经得起考验。