答：為什麼流星會燃燒殆盡，但從宇宙返回的航天器一般不會？

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空少問答

小課堂

第九十七期

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答：為什麼流星會燃燒殆盡，但從宇宙返回的航天器一般不會？

上周六，空少為大家留了1個問題，來看看空少的解答以及從留言中選出的最佳答案吧！

想要查看原問題背景介紹的朋友們可以點擊《問：為什麼流星會燃燒殆盡，但從宇宙返回的航天器一般不會？》~下面就讓我們來看看空少的解答吧！

空少正解

上期我們講到，流星（meteor）是指運行在星際空間的流星體（通常包括宇宙塵粒和固體塊等空間物質）在接近地球時由於受到地球引力的攝動而被地球吸引，從而進入地球大氣層，並與大氣摩擦燃燒所產生的光跡。如果某個宇宙區域有大量的塵埃等流星體，當地球經過該區域時，短時間內出現大量流星，就是流星雨。

換言之，之所以我們在夜空中看到燦爛的、划過天空的流星軌跡，是因為流星在大氣中摩擦、燃燒，發光、發熱。不過，隨著近年來航天技術的不斷進步，人類也發射大量的航天器進入太空和返回地球。那麼問題來了，為什麼流星會燃燒殆盡，但我們人類發射的、從宇宙返回的航天器一般不會？

2015年的獅子座流星雨期間的流星照片（來源：James Younger，https://earthsky.org/astronomy-essentials/everything-you-need-to-know-leonid-meteor-shower）

要讓返回的航天器避免變成「流星」，首先要搞清楚流星發光、發熱的過程，才能「對症下藥」。

一顆流星體（宇宙中的固體物質）在宇宙中處在近似真空中，它的運行並不消耗能量，它本身的運動速度加上地球的速度，其相對速度可能有每小時幾萬公里。當它進入地球大氣時，儘管100公里以上的大氣非常稀薄，但由於流星體速度非常快，它前面的空氣快速、極度壓縮，我們從氣體方程等當中可以知道壓強、體積和溫度的關係，這種壓縮可以讓流星周圍（主要是前端）的空氣溫度達到3000華氏溫度（1650攝氏度），高溫的空氣和流星體足以發光、發熱（就好像燈泡和熒光燈），流星體物質不斷氣化，最終「燃燒殆盡」。

藝術圖：巨大的流星和它周圍的光和熱（來源：NASA，solarseven/Shutterstock）

根據計算，航天器在密度非常低的、數百公里高的高層大氣中，飛行速度為3倍聲速時前端溫度超過300攝氏度，而當飛行速度為6倍聲速時約為1500攝氏度，而從高空下降到達離地面60-70千米（大氣密度已經明顯上升）時往往還有20倍聲速，對應的溫度可以高達上萬度，這必須採用措施來避免其燒毀。

通常，人類航天器會採用兩種應對措施：燒蝕材料技術（Ablative technology）、隔熱瓦（絕緣材料）技術（Insulating tile technology）。

燒蝕技術是給航天器外邊的隔熱層塗上「燒蝕材料」，也就是「主動提供東西給你燒」，這些材料通常氣化熱大、熱容量大、絕熱性好、向外界輻射熱量的功能強，所以在溫度升高時先氣化吸收大量熱量帶走，保證隔熱層裡面溫度不會太高。阿波羅飛船是比較早用到這種技術的。我們的神舟系列也同樣採用這種方法。

而隔熱瓦技術，則應用了多種多樣的絕熱原理，常見的有多孔材料、熱反射材料和真空材料等，它們像我們裝修時候的瓷磚一樣，一塊一塊貼在航天器上，留一點縫隙，在從宇宙中返回、加熱的時候熱脹冷縮，「嚴實合縫」的把航天器保護起來。這些材料就需低導熱係數小，能耐得住高溫，還要在高溫下能貼的住航天器表面，例如特殊的二氧化硅瓦。太空梭一直採用的是這種技術。

太空梭表面的隔熱瓦（來源：Space Shuttle Endeavour atCalifornia Science Center，wiki圖片上傳於https://www.flickr.com/photos/skinnylawyer/8143982281/）

而由此我們也知道，如果我們不做這些措施，或者是措施故障失效，人類航天器也會燃燒、釀成悲劇，如返回地球時失事的哥倫比亞號太空梭，因為隔熱材料脫落導致燃燒墜毀。

另外，返回艙的形狀設計也往往把朝下的那一頭（也就是返回大氣時飛行的前端）做成鈍形平面，能保證被壓縮的空氣產生的熱量主要集中於這個鈍形面，而不容易影響到返回艙後面，就可以對這個鈍形面的隔熱多做文章，比如更結實的結構、更好的隔熱層、更多的燒蝕材料塗層等。

留言區·精選

@ 霸凌侯爺

多數組成流星的組織「扛不住」地球大氣層的摩擦，受熱後解體被分別燃燒。人造返回式航天器為這個摩擦準備了不易解體的結實船體，船體外還有「抗熱層」，用來抵消和分散摩擦生成的熱。。。

@ Mr.Z

第一是因為從宇宙進入大氣的小型天體一般速度較大，超過第二宇宙速度，因此進入大氣後與大氣產生劇烈摩擦和燃燒；再入航天器一般為低軌道航天器，飛行速度較低，僅為第一宇宙速度。另外再入大氣層的航天器一般都裝備有熱防護層和耐高溫的燒蝕材料，以保護載荷。

@ 朔月未眠

我的看法：流星和航天器經過地球的大氣層都會發生劇烈摩擦，產生大量熱量，流星會逐漸燃燒殆盡，航天器由於外面耐高溫和隔熱材料的保護而安全返回地面。

感謝大家的支持，我們下期再見！

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