科学汇 | 为啥火箭末级残骸进入大气层会被烧毁,火箭升空通过大气层时却不会

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钱江晚报·小时新闻记者 陈素萍 

长征5B火箭发射天和号核心舱

2021年4月29日,我国用长征5B运载火箭成功发射了天宫空间站天和号的核心舱。长征5B起飞以后170秒,四个助推器就烧完了,并以较低的速度脱离火箭而掉入太平洋。而芯级火箭可以保持燃烧400多秒,继续帮助火箭加速,直到把核心舱送进接近400公里高的轨道。

此次发射火箭的结构图(左),发射控制大厅现场(右)

和低空掉落的助推器不一样,芯级火箭和核心舱在高空分离时已拥有很高的速度,使其可以在大气层外绕地球好几天才在宇宙尘埃微弱的阻力下减速而重新被地球吸入大气层。

发射时助推器的分离,分离后的助推器本身并没有燃烧

非营利组织“Virtual Telescope”的天文学家马西8日在意大利拍到第一张长征火箭残骸慢慢进入大气层的照片。可以看到残骸在发光燃烧。

中国载人航天工程办公室5月9日发出声明,经监测分析,5月9日10时24分,长征五号B火箭末级残骸已再入大气层,绝大部分器件在再入大气层过程中烧蚀销毁。这里的末级残骸主要就是燃料耗尽的芯级火箭。

据俄罗斯塔斯社5月10日报道,9日长征五号火箭残骸已经进入大气层并坠毁到马尔代夫群岛附近,火箭在坠毁过程中大部分被烧毁,只有很少一部分落入大海中,并没有造成任何的人员伤亡或者损失。

长征5B残骸的最终坠落点

末级残骸为什么进入大气层后会燃烧?能生热的摩擦力,给我们生活又带来了哪些便利或麻烦?本期科学汇,我们邀请到浙江工业大学理学院物理系副主任、吕斌博士,来为同学们答疑解惑。 


末级残骸进入大气层后  为什么会燃烧?

穿过大气层的物体会高温燃烧,是由两个因素引起的:空气被物体高速冲击而压缩导致升温;物体和空气的摩擦升温。

前者的物理机制是当运动物体的速度超过音速后,空气就会来不及避开高速运动的物体使得空气对运动物体的压力陡增,形成音障。这种压力反过来压缩空气,被压缩的空气而升温。压缩气体升温的道理类似用打气筒打气,过程中你去摸一下气筒就会发现很热。

后者的物理机制是今天文章的主角:摩擦生热。

音障

摩擦

残骸入大气层后,都要和地球上空哪些层面进行摩擦?

地球表面的大气层分布

这次的火箭残骸从400km高空,经过几天的绕地飞行,降落到200km以下,进入空气密度较大中间层、平流层和对流层,摩擦主要发生在这几层。

镁燃烧

以碳纤维为基体的烧蚀材料的显微照

为啥这样的摩擦还会引起残骸燃烧?能够让物体燃烧的温度称为燃点,不同的物体的燃点是不一样的。当物体被加热达到燃点时就可以和氧气发生化学反应从而燃烧。中学老师应该都给同学们展示过镁在氧气中的燃烧,镁的燃点是500多度。火箭表面的烧蚀材料主要以碳纤维为主。和钻木取火一样,当摩擦产生的热量不能及时散走,物体的温度就会升高直到燃点最终和大气中的氧气发生燃烧。

那为什么火箭升空的时候没有发生燃烧呢?这是由于火箭升空时受到的摩擦力远小于残骸落地时受到的摩擦力。

火箭升空

逃生舱返回地面

一般来讲,空气的摩擦力和物体速度以及空气密度成正比。

火箭升空时,从地表经过空气密度最大的对流层,但此时运动速度是比较小的,到空气密度小的暖层时反倒运动速度最大。

相反,残骸回来时,在暖层速度较小(这里是相对而言,速度其实也并不小,约为7.68km/s,同学们可以使用万有引力和向心力公式计算一下),由于一直被地球引力加速,落到高度越低、空气密度越大的地方速度越快(同学们可以使用匀加速直线运动大致算一下,落地速度约为8.2km/s)。

所以,下落的摩擦力远大于升空时的摩擦力。


摩擦力给我们带来了  哪些便利或麻烦?

摩擦力看不到摸不着,到底有多厉害?我们先来做个科学小实验“筷子提米”:将筷子插入一个装满大米的瓶子中,将米粒用力压实,握住筷子顶端往上提,整瓶大米也被提起来了。这是由于筷子与米之间以及米与米之间的摩擦力很大造成的。

再举个例子,人走路是利用鞋与地面之间的摩擦力。平时走路,如果鞋子和地面没有摩擦力,我们将寸步难行。可见,日常生活中,摩擦力对人类很重要。

一般,摩擦力分为滑动摩擦、静摩擦和滚动摩擦。

滑动摩擦相关的,中国有燧人取火的传说。火使人类随时都可以吃到熟食,减少疾病,促进大脑的发育和体制的进化。火还给人类带来了温暖,从而扩大了人类的活动范围。而燧人取火的方式就是钻木取火。他们通过钻木使木头之间的滑动摩擦生热来达到燃点,从而让木头燃烧获取火种。

静摩擦更常见。走路时鞋子和地面的摩擦,拧瓶盖时手和瓶盖侧面的摩擦,传送带将物体转移时物体和带子之间的摩擦。聪明的同学会发现,静摩擦就是两相对静止物体之间的摩擦。而走路打滑时,就变成了滑动摩擦。

最后讲讲滚动摩擦,本质是静摩擦。滚动摩擦的存在使得圆形的物体可以在地面上滚动起来。由于滚动摩擦远小于滑动摩擦,所以滚动搬运远比拖着搬运省力。

当然,除了便利,摩擦力也会带来一些麻烦。比如能量的损耗。高铁在运动的时候,会受到很大的空气摩擦力,这使得列车不得不使用大量的驱动力来对抗这个阻力从而保持列车的车速,就导致额外的能量损耗。


兴趣小组

摩擦力的秘密

知道了摩擦力的不同分类,摩擦力的大小和方向,又和什么有关呢?

以静摩擦力举个例子,人往右走就需要往左蹬脚,所以鞋子和地面的接触点处,鞋子的运动趋势是往左,所以鞋子受到了往右的静摩擦力。这里敲黑板,划个重点:摩擦力方向的判定必须仔细观察接触点处两物体的相对运动趋势,不论什么类型的摩擦力,物体所受的摩擦力的方向都和接触点处物体的运动方向或者运动趋势方向相反。

至于摩擦力的大小,根据实验经验,则和两物体接触面的摩擦系数成正比,也和两物体之间的压力成正比。同学们想一想,当拧不开瓶盖时,你会怎么办?是不是会用更大的力压紧瓶盖边缘?这就是通过增大压力来增大摩擦力,从而拧开瓶盖。但如果手都疼了还是拧不开,咋办呢?一般用干抹布裹住瓶盖通过增大摩擦系数的方法拧开瓶盖。如果同学们还是不行的话,那可以去找力气大的爸爸帮忙。

有同学好奇发问:“真空环境下,有摩擦力吗?”宏观上,相互接触的两物体才有摩擦力,真空环境下物体没有和其他物质接触,所以没有摩擦力。

这次发射的长征5B的芯级火箭残骸之所以会最终回到地面,是因为400km高空仍然有少量的分子分布在轨道上,所以芯级火箭会在微弱的摩擦力下逐渐减速,当速度不能维持其在轨道上运动时,就会被地球的引力吸引进入大气层并坠落。


考考你

(1)下图这双静止在木板上的鞋子,受到是什么类型的摩擦力,其摩擦力的方向朝哪里?

(2)自行车是通过后轮驱动的,也就是说后轮是主动轮,前轮是被动轮。一位学生骑车去学校,下图所示自行车轮朝右顺时针滚动,请判断后轮和前轮所受到的滚动摩擦力方向。

答:

(1)静摩擦力。鞋子有沿木板运动的趋势,所以摩擦力是沿木板朝右上。

(2)后轮是主动顺时针旋转,在地面的接触点是向后运动趋势,所以后轮受到的滚轮摩擦力是向前的。前轮是被动顺时针旋转,没有摩擦力的话,前轮在地面接触点的地方是倾向于向前滑动的,所以前轮受到的滚动摩擦力是向后的。所以后轮的摩擦力是自行车前进的动力,前轮的摩擦力是前进的阻力。


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摩擦力的秘密

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