为什么火箭碰到大气层会磨出火花？

一、为什么火箭碰到大气层会磨出火花？

不知道大家发现没有，在地面上我们发射一个火箭，在它穿越大气层的时候，基本上看不到箭体燃烧。而当火箭的返回舱从外太空回来，在穿越大气层时，会看到舱体表面像燃烧了一样，形成一个大火球坠向地面。那么，为何火箭都是穿越大气层，在穿越的过程中为什么会表现出不一样的情形呢？

在回答这个问题之前，需要先阐明一个问题，那就是物体在高速状态下发热甚至燃烧的原因。在一般情况下，一个物体在快速运动时，只要不是处于绝对真空的状态，那么它势必会与周围的环境空间产生摩擦，比如，火车车轮与铁轨之间、飞机与空气之间等等，在摩擦力的作用下，使得一部分动能转化为热能释放出来，从而提升物体表面的温度，这是一种通常情况下的摩擦生热，在较高运动状态下的火箭，在穿越空气中也会或多或少存在这种现象。

不过，还存在一种热能转化的情况，并非完全是由摩擦力做功产生的，而是由于对周围气体的压缩所产生，比如我们用密闭性很好的气筒打气，气筒的承压部分过一会儿就热起来，这个热量的产生，并非全是由活塞和筒壁的摩擦造成的，恰恰相反，摩擦生热的占比只是很小一部分，更多的热量是由空气的压缩所致，空气的内能在巨大的压缩比下转化为分子的动能，在空气分子的相互碰撞下又转化为热能。

明白了上述道理，我们就能解释火箭发射时看不到燃烧、而返回时却能看到剧烈燃烧的第一个原因，那就是返回时的速度更快，对空气的压缩程度更高。因为火箭在发射时是从速度为0开始的，需要不断地克服地球引力的作用，是一种缓慢脱离的过程，在穿越比较浓密的大气层时速度只有2-3公里/秒之间，相比较而言，火箭的返回舱在返回地球大气层时，一般都是先进入转移轨道，然后再进入绕地轨道，其初始速度基本上都达到第一宇宙速度，即7.9公里/秒，有时还会与地球的公转速度相叠加，所以在进入大气层之后的“初始速度”是非常高的。

因此，发射和返回时火箭的运行速度差别很大，在更高速度下，火箭体有更大的几率推动前方空气的剧烈压缩，在此过程中产生的巨大热量，在高速运行过程中的辐射扩散速度远远跟不上能量转化的速度，因此火箭体前端的空气分子被加热到等离子状态，气动加热时会产生向内的强烈激波，作用于火箭体的内部，一些结构松散的结构就会在强大的激波冲击下裂解，这也是一些高速冲入地球大气层的陨石边燃烧、边爆炸裂解的原因。

相比较而言，发射火箭时，由于速度是逐步提升的，而且在空气密度较大的下层空间时，火箭体的速度根本形成不了规模性、非常明显的空气等离子化和激波作用，我们从外界就难以观察到“燃烧”现象。

第二个原因，就是火箭发射时，为了保障所携带各种卫星、设备和仪器的安全，确保发射成功，对火箭体特别是前端都做了特殊处理，比如设置必要的整流罩，具有超强的耐高温、耐烧蚀等功能，最大限度保障火箭有效载荷的完好。而火箭在返回进入到地球大气层之后，由于已经运行了很长时间，各种防护措施已经非常缺乏了，除非特殊情况需要保留部分仪器设备、相关采样样品外，没有非常有效的防护措施，有时只能依靠吸热、辐射、烧蚀的方式主动去增加热量的产生，从而最大程度地实现降速。

第三个原因，从火箭的运行轨迹来看，发射和返回也是截然不同的。一方面，发射时所经过的大气层空气密度，是越来越稀薄，对箭体的摩擦和损坏是越来越小的，返回时正好相反，越靠近地面，空气密度越大，摩擦效应和激波效应越强烈。另一方面，在火箭发射时，是要用尽可能地快速脱离地球大气层的环境，减少空气的摩擦和无谓的损耗，所以一般选择垂直发射的方式。但是返回时，要尽可能快带地将“初始速度”降下来，减轻返回箭体在降落到地面时的冲击，所以要尽可能地加大返回时与空气的接触面积、延长在大气层中的穿越路程，所以火箭返回时往往采用梯级跳跃即“打水漂”的方式，最终呈现一种抛物线式的降落途径。

综上，我们之所以看到火箭发射和返回，在燃烧与否方面存在巨大的差异，这是与火箭在前后两个阶段在运行速度、空气动力学、功能设计、空气密度变化等方面，均有着明显差异所共同作用的结果。

二、火箭和大气摩擦温度有多高？

火箭和大气摩擦温度非常高，可以达到数千摄氏度。因为火箭飞行过程中速度非常快，摩擦大气时产生的摩擦力会导致空气分子高速撞击火箭表面，产生巨大的热能，导致热量迅速传导到火箭表面并升高温度。同时，由于空气密度较大，加速流过火箭表面的气体也会受到剧烈挤压和加热，进一步提高了温度。值得一提的是，火箭的进入大气层速度和角度都会影响摩擦温度的高低。一些太空飞船，例如航天飞机等，在进入大气层前会采取一些措施，如倾斜机头和调整飞行速度等，以减小摩擦热量的产生，降低温度。

三、大气层摩擦原理？

摩擦原理本质就是一个物体的某个表面与另一个物体的表面相互接触并相对掠过，在接触时，一个物体中的分子必然与另一个物体中的分子近距离地相互作用；在掠过时，这个物体的分子必然会碰撞另一个物体的分子；在碰撞过程中分子的运动就会更加剧烈起来，也就是物体更热了。而分子间撞击得激烈的话，就可能把原本束缚在原子里的外层电子撞出来，这个撞出来的电子还可能跑到另一个物体上，这就是摩擦起电啦。