從高中物理看神舟十二號(hào)返回艙著陸

何 龍

（清華大學(xué)附屬中學(xué)永豐學(xué)校）

根據(jù)報(bào)道，中國(guó)自主研發(fā)的神舟十二號(hào)載人飛船與空間站成功分離，于2021年9月17日安全著陸東風(fēng)著陸場(chǎng)，三名航天員順利返航！在感慨中國(guó)航天飛速發(fā)展的同時(shí)，我們不妨從高中物理涉及的范疇去回顧這一歷史過(guò)程，真切感受航天人為之付出的努力.

圖1 中國(guó)空間站結(jié)構(gòu)組成

在航天領(lǐng)域有一條叫作卡門(mén)線的分界線，它把距離地面100km以內(nèi)的空間稱為大氣層，之外的部分叫作外太空.可以想見(jiàn)，在相同情形下距離地面越近，航天器受到的空氣阻力就會(huì)越大.我們可以按照勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型作一個(gè)簡(jiǎn)單的分析，只有當(dāng)萬(wàn)有引力全部提供向心力時(shí)空間站才會(huì)穩(wěn)定地做勻速圓周運(yùn)動(dòng).而當(dāng)空氣阻力作用于空間站，會(huì)導(dǎo)致其線速度減小，致使其所受萬(wàn)有引力大于所需向心力，即萬(wàn)有引力的作用效果除了改變空間站的運(yùn)動(dòng)方向外，還在半徑方向產(chǎn)生一個(gè)指向地球的加速度，不加干預(yù)的話空間站就會(huì)逐漸做向心運(yùn)動(dòng).所以在綜合考慮成本、信號(hào)傳輸、輻射干擾等因素后，中國(guó)空間站將軌道高度確定在距地400km的位置.同樣的道理，如果我們需要讓載人飛船返回地球，要做的第一件事就是與空間站分離，并依靠推進(jìn)艙的反向推進(jìn)減速.這樣在萬(wàn)有引力不變的前提下，由于線速度v減小，其維持圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力就會(huì)減少，萬(wàn)有引力額外的作用效果會(huì)讓飛船逐漸靠近地球，踏上重返地面的旅途.

在距離地球表面140km左右時(shí)，神舟十二號(hào)載人飛船的返回艙與推進(jìn)艙分離，之后推進(jìn)艙在墜入大氣層后與空氣摩擦燒毀，而返回艙則會(huì)調(diào)整姿態(tài)，按照精確的軌跡進(jìn)入大氣層.造成二者命運(yùn)不同的原因，就是返回艙擁有周全的隔熱措施：艙體外覆蓋了大量隔熱耐磨涂層.它可以像水發(fā)生汽化時(shí)吸熱一樣，在高溫中發(fā)生熔化、汽化甚至化學(xué)變化帶走大量的熱.此外這種材料被燒蝕后會(huì)形成一層隔熱效果極好的碳層，這里需要強(qiáng)調(diào)一下，隔熱好并非指材料的比熱容大，而是指材料傳遞熱量的能力差，物理上會(huì)用導(dǎo)熱系數(shù)描述材料的導(dǎo)熱屬性，其單位是W·(m·K)－1.舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，鋁的比熱容是900J·(kg·K)－1，略大于石棉的比熱容840J·(kg·K)－1，即相同質(zhì)量下二者吸收相同的熱量，升高的溫度相差不大.但常態(tài)下鋁的導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到230 W·(m·K)－1左右，而石棉的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.15 W·(m·K)－1，所以我們觸摸金屬鋁會(huì)感到冰涼，就是因?yàn)闊崃勘谎杆賯鬟f走的緣故.而返回艙外涂層的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)更低，據(jù)悉，專門(mén)為中國(guó)火星探測(cè)器研發(fā)的超低密度防熱涂層材料，在保證質(zhì)量極低的前提下導(dǎo)熱系數(shù)可以低至0.06 W·(m·K)－1，各項(xiàng)基本物理性能都達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平.有了這層防護(hù)衣，返回艙就具備了安全穿越大氣層的基本條件.

圖2 采用激光沉積3D打印制造的返回艙防熱大底框架

在進(jìn)入大氣層后，鐘型的返回艙會(huì)調(diào)整為大頭朝下，“防熱大底”會(huì)正對(duì)空氣摩擦燒灼最嚴(yán)重的迎風(fēng)面.此時(shí)，由于返回艙已經(jīng)獲得大量由引力勢(shì)能轉(zhuǎn)化而來(lái)的動(dòng)能，其速度可以達(dá)到第一宇宙速度7.9km·s－1.由于高速運(yùn)行與周圍空氣摩擦做功，返回艙外部的溫度會(huì)攀升到2000℃左右.在這里需要明確的是，高中階段對(duì)于溫度的認(rèn)識(shí)已經(jīng)不再局限于物體的冷熱程度，它是判定熱力學(xué)系統(tǒng)是否處于熱平衡的標(biāo)尺，也表征了微觀物質(zhì)分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度.于是在艙外空氣分子被加熱到極高的溫度獲得大量能量后，其外層電子就會(huì)掙脫原子核的束縛成為自由電子，發(fā)生電離.于是這層溫度極高的空氣層就會(huì)變成一團(tuán)游離的負(fù)電子和正原子組成的“漿糊”，因?yàn)檫@團(tuán)物質(zhì)的正負(fù)電荷總量依舊相等，可以近似看作電中性，所以被人們稱為等離子體.

聽(tīng)到這個(gè)名詞你或許會(huì)覺(jué)得有些熟悉，等離子體在社會(huì)生產(chǎn)生活中的應(yīng)用十分廣泛，但對(duì)于進(jìn)入大氣層的返回艙來(lái)說(shuō)卻并不是什么好事.從前文的描述不難判斷等離子體是很好的導(dǎo)體，我們可以簡(jiǎn)單類比一下金屬導(dǎo)體殼的靜電屏蔽現(xiàn)象，就可以想見(jiàn)當(dāng)返回艙外覆蓋一層等離子氣體時(shí)的狀態(tài).此外，返回艙的高速運(yùn)動(dòng)、高溫以及帶電體的庫(kù)侖力相互作用，會(huì)讓其中的帶電粒子迅速流動(dòng)形成電流，進(jìn)一步干擾電磁波的傳輸.所以，這段時(shí)期返回艙與外界無(wú)線電通信被切斷，地面無(wú)法通過(guò)任何形式控制返回艙的狀態(tài)，只能依靠其自身調(diào)節(jié).于是這段距離被稱為“黑障區(qū)”，多出現(xiàn)在距離地表35km～80km的區(qū)間.通過(guò)“黑障區(qū)”后，地面控制會(huì)在幾秒鐘內(nèi)再次鎖定返回艙，并利用靜壓高度控制器通過(guò)測(cè)量大氣壓的方法確定距離地面高度，在距地10km左右處依次打開(kāi)各級(jí)降落傘，防熱大底也會(huì)在這一階段通過(guò)爆炸的方式拋除，為艙體減速作出貢獻(xiàn).

對(duì)于開(kāi)傘和拋大底的過(guò)程我們可以做一些動(dòng)力學(xué)的分析推理.首先，使用爆破方式分離大底，其物理意義在于讓大底獲得更大的指向地面的速度，根據(jù)動(dòng)量守恒定律可以推出返回艙在這一過(guò)程中將獲得更多的減速效果.其次，去除大底可以有效減輕艙體質(zhì)量，在降落傘提供相對(duì)穩(wěn)定的阻力的前提下，根據(jù)牛頓第二定律，艙體可以獲得更大的反向加速度.最后，為了防止航天員受到過(guò)大的瞬間沖擊力，返回艙會(huì)分為三級(jí)依次打開(kāi)引導(dǎo)傘、減速傘和主傘，延長(zhǎng)開(kāi)傘時(shí)間.這一過(guò)程后，返回艙的速度會(huì)降至7 m·s－1左右，初步具備了撞擊地面的條件.

但是為了進(jìn)一步保護(hù)航天員的生命安全，返回艙著陸前還有最后一步的防護(hù)措施.在離地1 m位置時(shí)，返回艙底部的反推發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)快速反向點(diǎn)火，保證返回艙觸地時(shí)速度低于2 m·s－1.整個(gè)返回過(guò)程三位航天員在艙內(nèi)始終處于近乎平躺的姿勢(shì)被座椅包裹住，通過(guò)人體工程學(xué)和增大受力面積的方法讓減速導(dǎo)致的過(guò)大支持力均勻分布在人體各部分，再加上艙底的吸能外殼、減震材料，最終保障航天員身體不受損傷.

圖3 返回艙啟動(dòng)反推發(fā)動(dòng)機(jī)著陸瞬間

神舟十二號(hào)的返航，標(biāo)志著中國(guó)航天史上的又一次巨大突破.僅就整個(gè)返航過(guò)程而言，雖然經(jīng)歷的時(shí)間并不算長(zhǎng)，但卻可以說(shuō)是中國(guó)航天事業(yè)的一段縮影，成功就是在這樣無(wú)數(shù)的細(xì)節(jié)中積累獲得的，致敬偉大的航天英雄們.