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航天返回舱表面不对称烧伤原因分析

已有 1311 次阅读 2021-4-6 14:14 |系统分类:论文交流

摘要:

本文分析了航天返回舱表面不对称烧伤的原因。认为航天返回舱被烧偏是因为地球厚度超过65000公里的大气层整体相对地球存在旋转运动,而且海拔越高,这种旋转运动的速度越大;以地球为参照系只要返回舱的运动方向与其中轴线平行,那么返回舱在通过大气层时就不可避免地被烧偏。

 

关键词:返回舱,航天,烧偏,大气环流

 

1、引言:

20201217日凌晨一点,嫦娥五号返回舱带着巨大的降落伞,安全、稳定、精准地落入到了内蒙古四子王旗地区。当所有人都沉浸在欢乐和喜悦中时,人们从如下照片1.1发现原先洁白漂亮的返回舱,似乎被黑化了,上面有高温燃烧的痕迹,甚至部分外壳都融化脱落了。尤其让人不解的是它一侧烧焦的很厉害,而另一侧几乎完好无损。

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1.1 嫦娥五号返回舱

 

作者在网上收集了神舟1-11所有返回舱及探月3返回舱的照片,发现都存在这种烧伤不对称的问题。

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1.2 神舟1返回舱

 

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1.3 神舟2返回舱

 

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1.4 神舟3返回舱

 

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1.5 神舟4返回舱

 

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1.6 神舟5返回舱

 

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1.7 神舟6返回舱

 

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1.8 神舟7返回舱

 

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1.9 神舟8返回舱

 

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1.10 神舟9返回舱

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1.11 神舟10返回舱

 

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1.12 神舟11返回舱

 

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1.13 探月三期返回舱

 

这种烧伤的不对称性到底是如何产生的?下面分析解答了这一疑问。

 

2、对大气层的再认识

2.1大气层的构造

整个大气层随高度不同表现出不同的特点,分为对流层、平流层、臭氧层、中间层、热层和散逸层,再上面就是星际空间了[1]

对流层:

对流层位于大气的最低层,从地球表面开始向高空伸展,直至对流层顶,即平流层的起点为止。平均厚度约为12公里,它的厚度不一, 其厚度在地球两极上空为8公里,在赤道上空为17公里,是大气中最稠密的一层,集中了约75%的大气质量和90%以上的水汽质量。其下界与地面相接,上界高度随地理纬度和季节而变化。它的高度因纬度而不同,在低纬度地区平均高度为1718公里,在中纬度地区平均为1012公里,高纬度地区平均为89公里,并且夏季高于冬季。

平流层:

距地表约1050公里处的大气层。位于对流层之上,散逸层之下。平流层亦称同温层,是地球大气层里上热下冷的一层,此层被分成不同的温度层,当中高温层置于顶部,而低温层置于底部。

中间层:

中间层又称中层。自平流层顶到85公里之间的大气层。

电离层:

1)定义电离层是地球大气的一个电离区域。60公里以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态,电离层是部分电离的大气区域,完全电离的大气区域称磁层。也有人把整个电离的大气称为电离层,这样就把磁层看作电离层的一部分。大约距地球表面10~80公里。散逸层在暖层之上,为带电粒子所组成。

2)特点: 除地球外,金星、火星和木星都有电离层。电离层从离地面约50公里开始一直伸展到约1000公里高度的地球高层大气空域,其中存在相当多的自由电子和离子,能使无线电波改变传播速度,发生折射、反射和散射,产生极化面的旋转并受到不同程度的吸收。

外层:

1)定义外层(Exosphere),又名散逸层,热层顶以上是外大气层,延伸至距地球表面1000公里处。这里的温度很高,可达数千度;大气已极其稀薄,其密度为海平面处的一亿亿分之一。

2)特点: 外大气层也叫磁力层,它是大气层的最外层,是大气层向星际空间过渡的区域,外面没有什么明显的边界。在通常情况下,上部界限在地磁极附近较低,近磁赤道上空在向太阳一侧,约有9~10个地球半径高,换句话说,大约有65000千米高。在这里空气极其稀薄。

 

2.2大气层的运动

由文章[2]3.2节及3.3节(P1621-P1623)可知,每一个星球、物体或粒子(原子核、质子、中子、电子)都携带有一跟随自己一起运动的以太层,该以太层就构成了局部的“绝对参照系”。由于以太绝对参照系的存在所以牛顿第一定律应当修正为“物体在不受外力作用的情况下在以太绝对参照系中将保持静止或在等能量密度的面上沿最短路径做匀速运动的状态”任何一个局部绝对参照系都会受其所处环境的各种绝对参照系的影响,比如地球除了受太阳以太系的制约外还受银河系以太系以及宇宙以太系的影响[3]

由于在地球上离地球表面越远的位置地球引力场越小既地球的空间能量(以太)密度越小,受太阳引力场(以太)的影响越大。所以,在地球上存在速度随离地面高度的增加而增大的以太风[3],如图2.1所示。

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2.1 地球以太层及以太风

 

因为所有物体都有相对以太保持静止的惯性存在(根据修正的牛顿第一定律[3]),由此可知,由于存在这种主要由太阳引力场的作用而产生的以太风,在地球上空(如海拔0-65000千米范围)会造成整体运动方向与地球自转方向相反,整体运动速度随海拔高度的增加而增加的大气层运动(大气环流),如图2.2所示。

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2.2 地球大气层形成的大气环流


由于地球大气层的厚度达65000千米以上,而离地面越高,大气层绕地运动的角速度就越接近地球自转的角速度,所以大气层高层相对地球运动的线速度非常大。

因为地球表面有山的阻挡作用,加上大气的上升与下降运动,所以在低空大气的运动与以太风的流动会有较大区别,大气层的整体流动速度小于以太风的风速。越往高处走,大气层的整体运动速度与以太风的风速越接近。

由于大气层存在整体沿着水平方向的运动,所以如果以地球为参照系,只要返回舱的运动方向沿着返回舱的中轴线,那么无论返回舱以什么角度进入大气层,返回舱都不可避免地被烧偏,如图2.3-2.8所示。

由于目前科学界对大气层的这种整体的绕地运动没有认识(认为大气层整体相对地球没有水平运动),所以在返回舱的返回轨道设计上把大气层整体相对地球看成是静止的,由此导致这种烧偏现象的普遍产生。

在图2.3-2.8V1为大气层相对地球的速度,V2为返回舱相对地球的速度,V3为大气层相对返回舱的速度。



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2.3

 

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2.4

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2.5

 

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2.6

 

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2.7

 

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2.8

 

参考文献:

[1] 大气层,百度百科https://baike.baidu.com/item/%E5%A4%A7%E6%B0%94%E5%B1%82/247465?fr=aladdin【3】

[2] Wang, J.A. (2019),The Modification of Special Relativity, Journal of Modern Physics , 10, 1615-1644. https://doi.org/10.4236/jmp.2019.1014107

[3] 王建安.(2020),论洋流及大气环流的动力学机制 (病毒有可能通过大气环流沿着纬度线传播吗?)科学网博客http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3412139&do=blog&id=1224097

 



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