神舟十六号顺利回家,很多朋友都看到了直播或者新闻。不少朋友可能已经注意到,返回舱在地面上的照片,有的看起来金灿灿,有些则是黑黢黢,这是怎么回事呢?


神十五的返回舱就是黑漆漆的 图源:视觉中国


为什么返回舱只有一面黑黢黢?


这确实不是因为拍摄色差、光照等问题,是返回舱再入大气层时,确实有一面被“熏黑了”,但另一面则比较干净,换着角度拍,大家就看到了不同的样子。


啊?居然烧得不均匀,是不是出了安全事故?


其实并没有,我们翻翻过往资料,就会发现,一直追溯到神舟一号,历代返回舱都是这样的一面黑一面光。


神舟一号返回舱。图源:视觉中国


这个烧蚀不均,其实是设计出来的。飞船返回舱再入大气层时,速度高达每秒 7.9 千米,要想消耗掉这么大的动能,让返回舱把航天员们安全带回来,就得靠大气层帮忙给刹车,但我们一方面希望大气层能把它刹住车,另一方面又不希望刹得太猛。


如果大气刹车过猛会怎样呢?


首先是会直接伤害里头的航天员。虽然航天员身体素质百里挑一,并且经过种种训练,甚至能够承受 8 到 9 个地球重力加速度。但航天员毕竟是肉身,超过极限,就很难保证安全了。而减速如果过猛,就可能导致航天员负荷过重甚至受伤。


刹车过猛还可能导致返回舱过热造成危险。有很多人拍到神舟再入大气层时的壮观场面,返回舱在前面飞,推进舱一边解体一边在后面追,就像两颗火流星,一颗受控,一颗不受控。


神舟十六进入大气层  图片来自新华社视频


返回舱迎风面的大气被猛烈压缩,瞬间升温到一两千摄氏度,电离周围的大气,形成包裹在返回舱周围的等离子鞘(这也是通信“黑障”的由来)。假如温度再高些,返回舱很可能就会烧掉。


因此,为了柔缓减速,返回舱再入大气层时,它的钝头防热大底并不正对着飞行方向(因为这样阻力过大,会增加航天员负担和返回舱烧毁的风险),而是略微偏向地球一点点。


阿波罗返回舱示意图,注意前进方向和返回舱底部有一个夹角 图片来自NASA


就像一个滑水运动员,半撞半漂地在大气中飞行。这样,返回舱不会过热,里面的航天员也感觉舒服得多,这种再入的方式叫做“半弹道式”。


而防热大底的形状差不多是个弧形,稍微朝下偏一点点,它的上方就更加顶风,就像我们迎着大风跑的时候,整个脸朝前的话,就会睁不开眼,无法呼吸。而稍微低一下头,这些问题就解决了,而不怕吹的脑门子只好承受更猛的风。


所以,略微低着头再入大气层的返回舱的朝上一侧会更热一些,也更黑一点。而另一面温度较低,就能保持金灿灿的模样。


返回舱被“烧糊”是怎么回事?


那些黑黢黢的东西是什么呢?并不是返回舱舱体被烧糊了,而是舱体表面的防热涂层留下了碳化物遗迹。面对高温,我们不能硬扛,这些烧蚀材料的涂层升华脱落,就可以带走大量热量,从而避免舱体过热。


这个道理也很简单,我们都知道煮汤水熬干了才会糊锅,就是因为沸腾的水在变成水蒸气的时候带走了大量热量,能让锅内温度保持在沸点。


材料烧蚀过程示意图 来自文献[1]


材料烧蚀前后比较  来自文献[1]


每次神舟返回都要用到这些技术,这次神舟十六还更进一步,在防热涂层上加了一点创新。在返回舱舷窗部位的涂层具有自清洁功能,能够防止烧蚀污染,保证航天员在返回过程中能通过窗口观察外部情况,返回舱落地后,地面搜救人员也能通过窗口观察舱内。这是中国科学院上海硅酸盐研究所的杰作,赞美他们!


返回舱底为什么没变黑?


说到这里再补充一点,如果我们去翻翻神舟十五号的照片就会发现一个奇怪的现象,如下图所示,返回舱这个底看起来不是挺干净的吗?完全没有烧黑啊,这又是怎么回事?


神舟十五号载人飞船返回舱底部,图源:视觉中国


原来,这并不是返回舱原本的底部。原本的防热大底是这样的:


神舟飞船返回舱防热大底  图片来自央视新闻频道


防热大底装在返回舱底部,返回舱返回时,它将承担最重的防护任务,面对最严峻的挑战,确实会被烧得黑不溜秋。


防热大底示意图  图片来自文献[2]


但是等返回舱打开减速伞一段时间后,防热大底就会被抛掉。


那个模糊的影子就是被抛掉的防热大底 


抛掉防热大底后,返回舱继续降落,最后落地前还会点燃几个固体反推火箭,最后刹个车,好让航天员们平安落地。


最后咱们来复习一下本文重点,返回舱确实有一个方向会被烧黑,另一个方向则看起来光亮许多,这是返回舱进入大气层减速时的姿态造成的。而返回舱被烧黑的地方,其实是舱体表面的防热涂层被高温破坏后留下的碳化物。这些斑驳的痕迹,正是种种防热措施顺利发挥作用的证明。


参考文献

[1]方洲,梁馨,邓火英,董彦芝,代晓伟. 蜂窝增强低密度硅基烧蚀防热材料性能 [J]. 宇航材料工艺,2021,51(05):79-83.

[2] 董彦芝.神舟飞船防热大底结构设计[J].航天器工程, 2002, 11(4):4.DOI:CNKI:SUN:HTGC.0.2002-04-007.


本文来自微信公众号:科普中国(ID:Science_China),作者:曲炯,审核:刘勇(中国科学院国家空间科学中心研究员)