神舟十三号成功降落！为何飞船返回时会燃烧，升空时却不会？

　　2022年4月16日，上午9时47分，巨大的减速伞带着黑黢黢的神舟十三号载人飞船返回舱穿过云层，出现在东风着陆场湛蓝的天空上！
　　10时24分，北京航天飞行控制中心发电宣布神舟十三号载人飞行器任务圆满成功！
　　在这个神舟共庆、万民同喜的时刻，目迎翟志刚、王亚平、叶光富三位航天员走出返回舱的你，是否注意到出发时光洁崭新的飞船，此时变得脏兮兮的，布满了燃烧后的黑色花纹。为什么飞船在返回时会燃烧，升空时却不会呢？今天我们就来讨论下这个航天小秘密。
　　神舟十三宇宙征程
　　首先，我们要介绍下神舟十三号从起飞到返回的整个飞行过程。飞船升空阶段和返回阶段是否燃烧，根本取决于飞行过程中飞行器的质量及舱外的环境。
　　神舟十三号，是由长征二号F遥十三运载火箭推举升空的。这种长征二号F（也称长二F），它的意义就是在点火后产生巨大的动力，将捆绑在其上的载人飞船带到近地轨道。在这个过程中运载了适当燃料和助燃氧化剂的火箭，要带着神舟号穿过大气层。
　　从地面开始计算，我们的大气层包括：对流层、平流层、中间层、热成层、逸散层五个部分。其中离地球最近的对流层中，空气和水蒸气密度最高，空气达整体大气的75。平流层、中间层的空气密度逐渐下降。
　　空气密度越高，飞行器速度越大，两者摩擦产生的热量才剧烈致起火。从中我们可以分析，飞行器最容易起火的阶段要么是在空气密度很大的对流层，要么是飞行器速度十分大的时候。
　　相信看过神州十三号发射直播的小伙伴都知道，火箭在搭载神舟号刚刚升空时，速度并不快。当飞行器到达一定高度后，火箭相继脱去逃逸塔、载有燃料的助推器，来持续加速。当飞行器达到一个可能起火的速度时，此时的舱外空气密度已经趋于稀薄，不会让飞船烧起来了。
　　从十三号到小黑蛋
　　神州十三号在有火箭帮它加速飞行时都不会起火，为什么返航时娇小的一个，却反而起火了呢？
　　空间站和地球、卫星一样，都是按照一定的速度在围绕着地球在做圆周运动的。只有这样才能保证不被地心引力拉下来。神舟十三号进入空间站轨道后，以7。9kms的速度运行。当它要返回地球时，则要冲破原来轨道的平衡，脱离原轨道的返回舱，就会开始沿着抛物线下滑。这个过程中，势能不断转变为动能，也就是说速度会越来越快！
　　当返回舱以这个速度进入大气层时，即便是稀薄的大气也会受到剧烈的影响。返回舱以坐落的方式进入大气，它的屁股以急速砸向大气，此处的空气被疾速挤压，温度瞬时升高，达到上千摄氏度，因而变成了小火球。即使返回舱外涂满了阻燃涂层和隔热涂层，燃烧后的返回舱也变成了小黑蛋。这个过程十分凶险，稍有不慎就可能引起数据的变化而造成事故，因此返回舱进入大气层的时机都是由地面控制中心严格计算的。
　　但请放心，舱内温度被严格控制在30度及以下，我们的三位航天英雄不会感受到高温难忍。返回舱的动能转化为热能，此时其速度已经大大地下降。在穿越过失联的黑障层后，返回舱拉开降落伞。在地球上的我们慢慢就会看到，巨大的蘑菇伞拖着我们的英雄凯旋而归。
　　在了解了飞船起飞时不会燃烧，降落时反而燃烧的原因后。你是否疑惑，为什么科学家在设计飞行器时，不能避免返回舱着火呢？
　　目前航天界着陆的方法基本都是以空气阻力来降低返回舱速度。如果在空气稀薄的大气层就打开减速伞，没有空气迅速充盈减速伞，减速伞起不了作用。如果在空气浓稠的大气层打开减速伞，但此时返回舱速度过大，减速伞会被撕破。这两点，限制了减速伞使用的时间，使得返回舱着火不可避免。美国的航天飞机也许是目前最成功的返回舱，它搭载的燃料可以让飞船在返回中降速，但速度之快也让它避免不了外壳被烧红的问题。
　　飞船在着陆前疯狂减肥，扔掉推进舱、抛开航道舱，实际上都是无奈之举。如果飞船在返回时质量过大，飞船在大气层摩擦产生的热量也会更高。飞船和舱内人员能否忍受如此高的热度都是个巨大问题。同时，巨大的坠落动能可能让舱内的航天员丧命。还可能给地球开个大坑。
　　每次航天飞船回家都抛东撇西，自然不是明智之举。毕竟能作为返回舱安稳落地的部分越大，能够回收的部分也就越多，也能从宇宙环境中带回更多珍贵的实验样本。
　　因此如何让返回舱晚点着火，甚至不着火是目前航天科研的攻坚问题之一。一旦这个问题被拿下，星际航行指日可待。参考资料：
　　〔1〕周岫彬。神舟十三号背后的黑科技你知道吗？〔J〕。知识就是力量，2021（12）：3437。
　　〔2〕黄志澄。中国空间站将改变世界载人航天格局〔J〕。太空探索，2021（11）：2225。
　　〔3〕冀潇。浅谈航空航天飞船在太空行驶及返回地面的力学原理〔J〕。科技风，2018（03）：183。
　　〔4〕郑中全，彭景广。神舟五号飞船中的力热光电〔J〕。考试（中考版），2005（02）：2324。
　　〔5〕廖航，竺梅芳，雷江利，王立武，李博。大质量航天器气囊着陆缓冲过程研究〔J〕。航天返回与遥感，2020，41（01）：2838。
　　〔6〕《飞船返回舱如何返回面的？》中国航天科技集团公司20110922〔引用日期20170225〕
　　作者：娜娜子审核：henna校稿编辑：李子