保定市科学技术协会

神舟十六航天员安全出舱！返回舱的照片有的黑有的金，怎么回事？

2023-11-02

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神舟十六号顺利回家，很多朋友都看到了直播或者新闻。不少朋友可能已经注意到，返回舱在地面上的照片，有的看起来金灿灿，有些则是黑黢黢，这是怎么回事呢？

为什么返回舱只有一面黑黢黢？

这确实不是因为拍摄色差、光照等问题，是返回舱再入大气层时，确实有一面被“熏黑了”，但另一面则比较干净，换着角度拍，大家就看到了不同的样子。

啊？居然烧得不均匀，是不是出了安全事故？

其实并没有，我们翻翻过往资料，就会发现，一直追溯到神舟一号，历代返回舱都是这样的一面黑一面光。

这个烧蚀不均，其实是设计出来的。飞船返回舱再入大气层时，速度高达每秒 7.9 千米，要想消耗掉这么大的动能，让返回舱把航天员们安全带回来，就得靠大气层帮忙给刹刹车，但我们一方面希望大气层能把它刹住车，另一方面又不希望刹得太猛。

如果大气刹车过猛会怎样呢？

首先是会直接伤害里头的航天员。虽然航天员身体素质百里挑一，并且经过种种训练，甚至能够承受 8 到 9 个地球重力加速度。但航天员毕竟是肉身，超过极限，就很难保证安全了。而减速如果过猛，就可能导致航天员负荷过重甚至受伤。

刹车过猛还可能导致返回舱过热造成危险。有很多人拍到神舟再入大气层时的壮观场面，返回舱在前面飞，推进舱一边解体一边在后面追，就像两颗火流星，一颗受控，一颗不受控。

返回舱迎风面的大气被猛烈压缩，瞬间升温到一两千摄氏度，电离周围的大气，形成包裹在返回舱周围的等离子鞘（这也是通信“黑障”的由来）。假如温度再高些，返回舱很可能就会烧掉。

因此，为了柔缓减速，返回舱再入大气层时，它的钝头防热大底并不正对着飞行方向（因为这样阻力过大，会增加航天员负担和返回舱烧毁的风险），而是略微偏向地球一点点。

就像一个滑水运动员，半撞半漂地在大气中飞行。这样，返回舱不会过热，里面的航天员也感觉舒服得多，这种再入的方式叫做“半弹道式”。

而防热大底的形状差不多是个弧形，稍微朝下偏一点点，它的上方就更加顶风，就像我们迎着大风跑的时候，整个脸朝前的话，就会睁不开眼，无法呼吸。而稍微低一下头，这些问题就解决了，而不怕吹的脑门子只好承受更猛的风。

所以，略微低着头再入大气层的返回舱的朝上一侧会更热一些，也更黑一点。而另一面温度较低，就能保持金灿灿的模样。

返回舱被“烧糊”是怎么回事？

那些黑黢黢的东西是什么呢？并不是返回舱舱体被烧糊了，而是舱体表面的防热涂层留下了碳化物遗迹。面对高温，我们不能硬扛，这些烧蚀材料的涂层升华脱落，就可以带走大量热量，从而避免舱体过热。

这个道理也很简单，我们都知道煮汤水熬干了才会糊锅，就是因为沸腾的水在变成水蒸气的时候带走了大量热量，能让锅内温度保持在沸点。

材料烧蚀过程示意图 来自文献[1]

材料烧蚀前后比较  来自文献[1]

每次神舟返回都要用到这些技术，这次神舟十六还更进一步，在防热涂层上加了一点创新。在返回舱舷窗部位的涂层具有自清洁功能，能够防止烧蚀污染，保证航天员在返回过程中能通过窗口观察外部情况，返回舱落地后，地面搜救人员也能通过窗口观察舱内。这是中国科学院上海硅酸盐研究所的杰作，赞美他们！

返回舱底为什么没变黑？

说到这里再补充一点，如果我们去翻翻神舟十五号的照片就会发现一个奇怪的现象，如下图所示，返回舱这个底看起来不是挺干净的吗？完全没有烧黑啊，这又是怎么回事？

防热大底装在返回舱底部，返回舱返回时，它将承担最重的防护任务，面对最严峻的挑战，确实会被烧得黑不溜秋。

防热大底示意图  图片来自文献[2]

但是等返回舱打开减速伞一段时间后，防热大底就会被抛掉。

那个模糊的影子就是被抛掉的防热大底 

抛掉防热大底后，返回舱继续降落，最后落地前还会点燃几个固体反推火箭，最后刹个车，好让航天员们平安落地。

最后咱们来复习一下本文重点，返回舱确实有一个方向会被烧黑，另一个方向则看起来光亮许多，这是返回舱进入大气层减速时的姿态造成的。而返回舱被烧黑的地方，其实是舱体表面的防热涂层被高温破坏后留下的碳化物。这些斑驳的痕迹，正是种种防热措施顺利发挥作用的证明。

参考文献

[1]方洲，梁馨，邓火英，董彦芝，代晓伟. 蜂窝增强低密度硅基烧蚀防热材料性能 [J]. 宇航材料工艺，2021，51（05）：79-83.

[2] 董彦芝.神舟飞船防热大底结构设计[J].航天器工程, 2002, 11(4):4.DOI:CNKI:SUN:HTGC.0.2002-04-007.

作者丨曲炯 科普创作者