宇宙飞船的“避火衣”

来源 :中学生数理化·八年级物理人教版 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wangjinshui6699
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  “祝全国人民新年快乐!”2003年元旦,从太空传来中国“神舟”四号宇宙飞船的新年祝福声,2003年10月“神舟”五号载人飞船发射并安全着陆!紧接着“神舟”六号载人(双人)宇宙飞船飞天成功,全国人民欢欣鼓舞.按照计划,我国“神七”已于2008年9月25日升天,航天员还出舱在太空行走.
  
  “下凡”经受火的洗礼
  
  宇宙飞船和航天飞机从天外“下凡”返回地球,那可是一个非常复杂的难题!它们的速度要由第一宇宙速度(7.9 km/s)进入大气层,这个速度是声音速度的二十多倍,一般利用缓冲火箭和四面巨大的降落伞(最大的主伞面积约有1 200 m2),使速度逐渐降低.宇宙飞船返回舱最后是以3.5 m/s 左右的速度软着陆的.
  庞大的航天飞机降落到地面时的速度要比宇宙飞船返回舱大得多,因此它需要一条特殊的长跑道,在离地面150 m时起落架放下,航天飞机最后是以 90 m/s 左右的速度冲上跑道,滑行约1 500 m后停下.
  在浓密的大气层中,速度极快的宇宙飞船和航天飞机,它们的外壁由于与空气激烈摩擦,要产生大量的热,机头温度可以达到1 000℃甚至3 000 ℃,整个机身变成一个炽热耀眼的火球(就像我们经常看到的火流星那样).当航天器进入距离地面60 km左右区域时,是最危险的区域.由于稠密空气在高温下会发生电离,所有无线电波都无法通过,无线电通讯都会暂时全部中断,被人们称为可怕的“黑障区”……那真是一个惊心动魄的场面!
  宇宙飞船的返回舱中有航天员和珍贵仪器资料,而航天飞机中更有多名航天员.要保证宇宙飞船的返回舱和航天飞机安全“下凡”,就必须研究制造一件航天器的“避火衣”!从科学原理上讲,目前只有两种方法:一种是“烧蚀法”,另一种是“覆盖法”.
  
  宇宙飞船“自我牺牲”式“避火衣”
  
  由于宇宙飞船只使用一次,科学家精心设计了一件奇妙的“避火衣”,它是用瞬时耐高温材料制成的,这是由一种特殊纤维材料加上有机物组成的,在宇宙飞船不同部位的厚度不同.
  当宇宙飞船返回舱由太空“下凡”返回地球通过大气层时,与空气剧烈摩擦将产生大量的热,这件“避火衣”遇到高温时它就会“引火烧身”,自己先燃烧起来,其中的有机物会带走大量的热量.更奇妙的是,“避火衣”在燃烧自己的同时,还形成了一层厚厚的多孔炭化层,紧紧地附着在返回舱的外壁,这一层炭化层具有极好的隔热效能.这样,宇宙飞船的“自我牺牲”式“避火衣”的巧妙设计,使返回舱中的温度可以保持正常,一般在35 ℃以下.
  我国“神舟”号宇宙飞船返回舱,外形为钟形,外部是用耐高温的复合材料制成.返回舱高2.5 m,直径也为2.5 m,重量约3 t,可以载3名航天员.返回舱是航天员的座舱和宇宙飞船的指挥中心,位于飞船的中部,是密闭结构,其上端有舱门,供航天员进出轨道舱使用,返回舱是宇宙飞船中唯一再入大气层返回地面的着陆舱段.这种自我牺牲的一次性“避火衣”使得宇宙飞船顺利“下凡”返回地面,为宇航事业做出了卓越贡献!
  
  航天飞机“金缕玉衣”式“避火衣”
  
  宇宙飞船只使用一次,而航天飞机要在地球和太空之间往返75次~100次,因此一次性“避火衣”就不适用了.科学家必须找到一种耐高温又不会被烧坏的“避火衣”!
  是什么材料呢?原来是陶瓷,它是新型复合高温陶瓷.这种复合高温陶瓷瓦片主要由两部分构成,外层包覆的是高辐射陶瓷材料,内部是导热系数非常低的耐高温陶瓷纤维.外面颜色有白的,有黑的,颜色不一样,给人的感觉很坚实,但拿起来很轻,密度(九年级将学到)才200 kg/m3,是水的密度的.
  航天飞机的外型很像一架三角翼飞机,形状比起宇宙飞船的返回舱要复杂多了.要想为它穿上严严密密的陶瓷“外衣”十分困难.科学家精心设计了31 000块陶瓷瓦片,每块长15 cm~20 cm、厚0.5 cm~9 cm,每片价值2 000美元~3 000美元.使用时再把它们拼接起来,仿佛中国古代的“金缕玉衣”一般,非常合身.这些陶瓷片对照工艺图纸,一一对号入座,利用一特殊“高效阻燃胶”,用手工一片一片粘贴到飞机上,后来研制出专业机器人,才提高了粘贴速度.这件超级“金缕玉衣”——航天飞机“避火衣”达10 t,价值达三亿六千万美元.
  1981年4月,美国“哥伦比亚”号航天飞机就是“穿”着这件昂贵厚重的“避火衣”,顺利完成了太空考察.在以后几次航天飞行中,都获得了成功.
  
  责任编辑 蔡华杰
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