“流星”和“航天器”，在空氣中穿梭的勇者

流星雨，一直是宇宙中浪漫而神秘的存在，許多人都期待著親眼目睹流星劃破天際的美景。一般到了年底，能觀測(cè)到的流星雨還有很多，比如11月份的獵戶座流星雨，以及12月份的雙子座流星雨等等。

大家在觀賞這些流星雨的時(shí)候有沒(méi)有想過(guò)一個(gè)問(wèn)題：流星為什么會(huì)發(fā)熱、發(fā)光呢？

(相關(guān)資料圖)

美麗迷人的流星雨（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

很多人可能以為，流星的光是由于隕石進(jìn)入大氣層和大氣層的空氣摩擦生熱而引起的，其實(shí)這樣說(shuō)在很大程度上是不對(duì)的。事實(shí)上，隕石在進(jìn)入大氣層后所產(chǎn)生的熱量大部分都是由于空氣的壓縮而產(chǎn)生的，摩擦空氣產(chǎn)生的熱量只是很小的一部分。隕石壓縮空氣產(chǎn)生的熱量最終使隕石燃燒發(fā)光，形成曇花一現(xiàn)的流星，大多數(shù)隕石最終也在高溫下燃燒殆盡。下面我們來(lái)解說(shuō)一下這個(gè)過(guò)程。

隕石在進(jìn)入大氣層后，壓縮了它前面的空氣，使得隕石前面的空氣溫度迅速升高至幾千度，然后點(diǎn)燃了隕石，從而使隕石發(fā)光變成了我們可以看見(jiàn)的流星。也就是說(shuō)，是壓縮空氣成就了流星的凄美“絕唱”，而不是摩擦空氣。

隕石進(jìn)入大氣層后，最先燃燒的是隕石前端空氣被壓縮最厲害的部分（圖片來(lái)源：https://sputniknews.com/science/201804291064008986-five-asteroids-heading-past-earth-today/）

壓縮空氣為什么會(huì)產(chǎn)生大量的熱量呢？這其實(shí)和能量守恒定律有關(guān)系。當(dāng)隕石進(jìn)入大氣層時(shí)，速度是非?？斓模ㄍǔＪ菐资酌棵耄?，這時(shí)隕石前部的空氣無(wú)法快速地被“擠到”隕石周?chē)?，因此?huì)被迅速壓縮。根據(jù)能量守恒定律，對(duì)氣體壓縮所做的功會(huì)轉(zhuǎn)為氣體的內(nèi)能，進(jìn)而表現(xiàn)為氣體溫度的升高。

這種現(xiàn)象在日常生活中很常見(jiàn)，例如我們用打氣筒給輪胎打氣，由于我們?cè)趬嚎s氣體做功，打氣筒內(nèi)的空氣溫度會(huì)升高，因而打氣筒會(huì)發(fā)熱。同理，由于隕石前部的空氣被壓縮的非常厲害，因此溫度也會(huì)升的非常高，通常會(huì)在2000攝氏度左右，在這么高的溫度下，大多數(shù)隕石都會(huì)被燒毀，地球上的生命也因此得到了有效的保護(hù)。

當(dāng)然，還是會(huì)有極少數(shù)比較耐燃的隕石在未燃燒完就降落到了地球，這就是我們?cè)诟鞣N航天博物館里見(jiàn)到的隕石了。這種隕石一般都十分稀少，是十分寶貴的科學(xué)研究材料。

對(duì)于各種人造航天器（包括人造衛(wèi)星、載人飛船，甚至是空間站等）返回大氣層時(shí)發(fā)光發(fā)熱，原理和隕石其實(shí)是相近的，它們的壓縮空氣的效率甚至比隕石還高。這里我們就用載人飛船的返回艙來(lái)舉例說(shuō)明。載人飛船返回艙的形狀一般都如下所示：

阿波羅登月飛船的返回艙（圖片來(lái)源：http://www.pinsdaddy.com/apollo-command-module-model_3Zsivj3AOYNXNR0BgInRlmH9JmWQBRPkGA8FmDvWHbQ/）

或者是這樣的：

神舟十號(hào)載人飛船返回艙（圖片來(lái)源：人民圖片網(wǎng)，方陽(yáng)攝）

盡管在細(xì)節(jié)上可能有所不同，但它們的樣子都是大同小異——上小下大，并且下面是一個(gè)很鈍的平面。這樣的鈍形平面能保證被壓縮的空氣產(chǎn)生的熱量主要集中于航天器鈍形一面，而不會(huì)流失到航天器后面，從而有效的保護(hù)后面的航天員或者其他科學(xué)設(shè)備。因此，現(xiàn)在任何的載人航天器的返回艙都被設(shè)計(jì)成鈍形的。在返回艙返回大氣層時(shí)，它的受熱情況大概如下所示：

返回艙壓縮空氣示意圖（圖片來(lái)源：https://www.quora.com/Why-does-a-spacecraft-heat-up-during-reentry）

可以看出，它的熱量主要集中在前部，因而處于后面的航天員就得到了有效的保護(hù)。當(dāng)然在返回艙進(jìn)入大氣層后會(huì)和大氣層產(chǎn)生摩擦，肯定也會(huì)產(chǎn)生一部分熱量，但是這部分熱量和壓縮空氣所產(chǎn)生的熱量相比是微不足道的。另外，載人飛船的返回艙的外殼是由防火耐高溫的材料制作的，因此不會(huì)像隕石那樣燃燒起來(lái)，但是高溫還是會(huì)把返回艙的外殼烤焦。

如下圖所示的我國(guó)神舟號(hào)載人飛船的返回艙，大家可以和上圖進(jìn)入太空前的返回艙對(duì)比一下，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)是被“烤焦”了的返回艙。

返回地球后的神舟號(hào)返回艙（圖片來(lái)源：https://commons.wikimedia.org/wiki/Shenzhou）

對(duì)于其他的一些不耐燃的航天器，盡管形狀和返回艙不一樣，但是原理幾乎都是一樣的。進(jìn)入大氣層后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，由于壓縮空氣產(chǎn)生的高溫，整個(gè)航天器都會(huì)燃燒起來(lái)。例如前蘇聯(lián)的“和平號(hào)”空間站和中國(guó)的“天宮一號(hào)”空間站墜毀的時(shí)候大部分部件都在大氣層中被燒成灰燼了，只有一小部分散落在了太平洋。

可能有的同學(xué)會(huì)問(wèn)，為什么航天器在離開(kāi)地球時(shí)不會(huì)發(fā)熱？原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，因?yàn)楦鞣N航天器（包括載人飛船，空間站，衛(wèi)星等等）離開(kāi)地球時(shí)都是通過(guò)火箭來(lái)運(yùn)載的，火箭的形狀是流線型的，很容易“擠開(kāi)”前進(jìn)方向的空氣，而摩擦產(chǎn)生的熱量相對(duì)來(lái)說(shuō)又很小，因此火箭在離開(kāi)地球時(shí)并不會(huì)經(jīng)歷很高的溫度考驗(yàn)。

長(zhǎng)征系列火箭，可以看出火箭都有尖尖的頭部，目的之一就是為了更好的排開(kāi)運(yùn)動(dòng)方向的空氣，減少阻力（圖片來(lái)源：http://calt.spacechina.com/n482/n498/index.html）

當(dāng)然，我們也可以用火箭來(lái)對(duì)返回地球的返回艙進(jìn)行減速，但是那樣就意味著雙倍的燃料，這不但增加了發(fā)射的費(fèi)用，而且會(huì)嚴(yán)重降低火箭的有效負(fù)荷，是一項(xiàng)費(fèi)力不討好的舉措。況且，大自然已經(jīng)給我們提供了——大氣層——這么好的免費(fèi)“剎車(chē)器”，為什么不去用呢？

標(biāo)簽： 壓縮空氣 載人飛船 空氣溫度