嫦娥五號回家在即,月球樣本能「扛得住」與大氣摩擦的超高溫嗎?

2020年12月11日22:50:20 科學 1254

嫦娥五號任務是一項偉大的壯舉,是近44年來,人類再一次進入月球上採集月壤樣本的舉措,對於全中國和全世界來說都意義非凡;就連多次登月成功收集月球樣本的美國,也不惜低下頭,想與中國一起分享成果。

目前嫦娥五號探測器已經在太空中完成了大半的任務,從發射靠近月球進行繞月,到登陸月球開始採集樣本,再到離開月球都已經順利完成,就差圓滿落地回家了;似乎一切都來的很快,從11月24日4時胖五將嫦娥五號探測器送離地球,到12月6日12時嫦娥五號探測器的上升器將月球樣本送離月球表面只用了不到13天的時間,有點速戰速決的意思了。

當然在月球上取樣的任務遠沒有我說的這麼簡單,需要克服重重困難,以及不斷試驗嘗試擁有大量的資源與技術儲備才能做到,同樣將樣本順利送回地面也需要克服眾多困難。

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大家都應該還記得宇航員乘坐太空艙降落到地面時出艙的畫面吧;宇航員坐在凳子上,而身後的太空艙卻一片漆黑。這正是因為太空倉在返回地球時,速度太快與大氣摩擦所產生的超高溫燒黑的。或者是太空空中掉落到地表的隕石都是如此。通常表面有灼燒過的痕迹。

那麼一個物體從太空著陸地球地面經過大氣層時,究竟需要承受多高的溫度?

「熱障」與「黑障區」

高速飛行的隕星進入大氣層與空氣劇烈摩擦,會發生猛烈燃燒而發出的光亮。當宇宙航天器完成任務返回地球時,面臨著與隕星同樣的殘酷生存環境。「研究表明,當宇宙飛行器的飛行速度達到3倍聲速時,其前端溫度可達330℃;當飛行速度為6倍聲速時,可達1480℃。宇宙飛行器遨遊太空歸來,到達離地面60~70千米時,速度仍然保持在聲速的20多倍,溫度在10 000℃以上,這樣的高溫足以把航天器化作一團烈火」。高速導致高溫,這似乎是一道不可逾越的障礙,人們把這種障礙稱為「熱障」。

返回艙在此區域下降到一定高度時,會接收不到地面發送的無線電信號,地面也接收不到返回艙發送的無線電信號,因此,這一區域也被稱為無線電「黑障區」。

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珍貴的月球樣本能「扛得住」與大氣摩擦的超高溫嗎?

其實我國早年在已經進行過相關試驗,為嫦娥五號探測器返回時作出了充分的準備。為了讓樣本不在不在大氣中被超高溫燒毀,嫦娥五號在穿越大氣層時選擇了「彈跳式」再入返回技術。以下為返回模型圖

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當嫦娥五號第一次進入大氣層時會以每秒11.2公里的第二宇宙速度進入,如果這樣直接穿過大氣層直接到達地面,那麼樣本必將在大氣中被燒毀,但只要返回艙第一次進入大氣層前調整好一個角度,那麼返回艙就會像打水漂一樣,彈出大氣層發生第二次進入大氣層的現象。這樣就能讓返回艙在進入大氣層時的初始速度降下來。初始速度越小,返回艙在大氣層中所受到的最高溫就會降低,從而保護了返回艙以及內部物體的安全。

而且在返回艙的外層,安裝有特殊的燒蝕材料,這種材料氣化熱大,熱容量大,絕熱性好,向外界輻射熱量的功能強。當返回艙在與大氣層發生劇烈的摩擦時,表面的燒蝕材料會通過分解、熔化、蒸發、升華、侵蝕等物理和化學變化帶走大量的熱量,達到控制返回艙表面溫度的效果。

所以我們的宇航員能夠順利返回地球,離不開燒蝕材料的功勞。我相信宇航員的身體都能承受住返回艙的環境,月球樣本也能承受得了。況且月球樣本在月球表面所處的環境本就惡劣,沒有大氣層包裹的月球表面白天最高溫度160℃,夜間最低溫度-180℃。

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燒蝕材料的實驗數據

此外月球樣本的降落地點在內蒙古四子王旗航天著陸場,這裡地勢平坦開闊,沒有大的河流湖泊,全年乾燥少雨,空氣能見度高,地表結實,能夠保證月球樣本平安到家。

總結

我國科學家們為這次的任務作出了充分的準備,為嫦娥五號探測器設計了獨特的「水漂式」返回方式,以及特殊的航天隔熱材料和安全的著陸地點,來確保嫦娥五號的順利返回。

因為整個任務的大部分都已經成功完成了,相信最後的返回任務一定也能順利完成,所以我們就安心的等待嫦娥五號探測器好消息傳來吧!

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