怎样使宇宙飞船重返地球

岩　石

苏联的第二只宇宙火箭已经成功地到达了月球，第三只宇宙火箭并且已走上绕过月球飞行的轨道，人类走出自己的行星飞往月宫和更遥远的其他天体的时代就要开始了。过些时候，往返于星际之间的火箭和宇宙飞船将频繁地出入地球或其他星球的大气层。现在我们来看一下目前宇宙航行中所面临的这样一个重要问题：飞船怎么才能顺利地通过大气层、安全地在地球表面上着陆呢？

大气层的利与弊

为了使宇宙飞船重新降落在地面上必须减低它的运动速度，因为当它以等于或大于第一宇宙速度飞行的时候，它是永远不会落到地球上的。只有小于第一宇宙速度它才能穿过层层大气、逐渐缓慢下来，与大地表面逐渐接近。大气可以造成帮助飞船减速的阻力，这样看来，大气层对于飞船的着陆是有益的，如果是在没有大气的星球上，飞船的降落就会变得更加困难、复杂和费劲。此外，大气上层蕴藏着的丰富的能量，在宇宙飞行器的减速上，是有可能寻求各种途境去利用它们的。

然而，大气层对飞船的着陆并不都是有利的。它还有着十分危险的一面。我们知道，即使宇宙飞船已经把速度减低到逐渐向地球靠近的程度，可是它仍然是很高的，这就使飞船在进入大气层时，它的表面由于同气体分子摩擦而发生高温，这个温度之高和热量之大不仅可以使飞船的头部发红、闪光，而且可以使整个飞船遭到与许多陨石相同的命运——在大气中完全被烧掉。例如，飞船的速度减小到远低于第一宇宙速度的5.5公里/秒时，它的头部也要在大气层中被加热到5000℃，这是目前任何一种耐热材料都经受不住的。

怎么克服这个障碍、使飞船获得适当的速度、无危险地通过大气层呢？

这就需要从抗热和冷却上以及从减速上想办法。

抗热与冷却

高速运动的飞船在大气中被加热这件事，意味着大量的动能转化为热能又加给飞船。如果我们能使这些热量更多地散布于广阔的空间、更少地传给船身，那么就可以使它的温度降低、受热减少。当飞船的头部不做成尖形而做成钝形，就能在一定程度上实现这一点。因为钝形所产生的激波系统在消耗动能造成热量的同时就把这些热留散在空气之中。还可以采用多孔的飞船外壁，使某种冷却液体从孔隙中流出和蒸发从而冷却飞船，这种液体应该具有大的热容量和气化热。另一种所谓“消融吸热法”是将飞船前端外壁附上一层易蒸发的金属材料，它们在高温的环境中消融、同时把飞船上的热量带走。此外，“内部冷却法”在某些情况下也是可以使用的，这是依靠液体金属从内部冲洗来冷却飞船上受热最大的外壁。

为了抵抗高温的作用，制作飞船壳体应该选用具有如下特点的材料高熔点，大的稳定性，使之在工作温度下不熔化、难于腐蚀和氧化；具有大的热容量、高度的反射和散热能力。

除了继续寻找耐热性高的金属与合金(例如钨钼)之外，飞船的外壳可以加装金属涂层和陶瓷涂层。它们有更大的对高温的抵抗能力。还可以用几种材料的夹层制造外壁、其中有金属板、非金属夹层(如水泥，特殊的玻璃丝)、合金固定层。在进一步研究的基础上，耐热性能优良的陶瓷合金很可能成为飞船外壁的重要材料。

减速机构

仅仅依靠抗热与散热的作用远不能保证从星际空间归来的飞船安全地通过大气层回到地面，在任何情况下都需要强有力的减速机构。虽然，使用向前方喷射气流的反推力发动机能够很好地完成减速任务，但是这样做，至少在很长的时期内，是非常浪费和笨拙的，因为这将使具有同一有效载荷的宇宙飞船的燃料消耗量和体积增加几百倍、甚至千倍。这样，除了起辅助作用和在特殊情况下必须采用这种方法之外，我们必须去寻找方便和有效的其他各种方法，这就是利用空气的阻力和大气层中的能量。对于前者，人们早已提出各种各样的方案，其中有的已在相应的领域中付诸实现。例如大家所熟知的降落伞，能够自动伸缩机翼的宇宙滑翔机。为了增大气动阻力可以在船身上装设一些可调节的增阻机构，需要时它们被打开以增加飞船的迎风面，之后便自动闭合起来保持飞船良好的外形。

图1带有“大气惯性制动器”的飞船

下面我们介绍一种可能的利用大气惯性的制动设备(图1)。这种制动系统是借助于气流的动量改变所产生的冲力使飞船减速的。当迎面气流从进口冲入制动器以后，它被迫沿着弯曲的管道流动，转过一定角度，最后通过出口流出。在这种情况下，由于气流的速度矢量发生变化(或者是方向改变，或者方向和大小同时改变)，依据气体动力学中的动量原理，必然出现一个阻止飞船前进的力。该力大小同气流转角、大气密度和飞船与大气的相对速度有密切关系。假如速度是每秒六公里、气流转角是90°、该处的大气密度为海平面上密度的八分之一，当进气流的截面为一平方米时，按简单计算，这时约将产生六万吨的制动力，此力比同样面积的平板阻力大得多，这个关系在水力实验(如火箭车的水力制动实验)中已经得到证明。

使用大气中的能量减低飞船的速度，在未来的宇宙航行中会占到愈益重要的位置。

人们早已发现，地球周围的大气层是一个取之不尽的巨大的能量库藏，这些能量在不同高度和地区分布的形式不一样，我们也就需要用相应的方法去取用它们。在八十公里高空以上的地区，空气分子在太阳射线和宇宙线的作用下呈现离子状态，当一公斤的这种气体复合的时候，就能放出一千万公斤米的能量。如果我们能制造出可以复合离子的发动机，或者采用其他的办法使等离子区在其中得到加速，那么我们就可以无代价地或花费很少代价地把这些能量用于飞船的减速上。

图2带有离子制动器的飞船

一种所谓离子发动机正是利用离子复合的原理设计的。倘若我们把这种发动的结构和作用方向加以改变，就能得到一种类型的离子制动器。如图2所示。等离子区的气体从进口1流入飞船的制动系统，沿着管道旋转180°进入脉动式的离子发动机，脉动式发动机的采用是为了保证气流的单向运动。流入发动机的离子在催化剂(例如金)的作用下，迅速结合成分子，同时放出大量的热，被加热的气流以极大的速度向前方喷出造成飞船的反推力。

另一种类型的离子制动器是这样的，它用不着在发动机中使离子复合，而是用一种专门的电力加速系统。进入发动机的等离子区气流经过加速电极之后改变运动方向并且速度显著增大起来，从出口向前方喷去。此法的缺点是要消耗一定自备电能，但是与所得相较这个数量还是小的，而且，电能可以在宇宙空间直接得到补充。

还有一种离子制动器的方案，是在飞船的前部做成一些可调的凹坑装置，在这些坑中放上性质剧烈的催化剂，使对面迎来的等离子区气流同它接触时不断在凹坑中发生连续的爆炸，产生的力是刚好抵挡飞船的运动。

新近科学上的重要发现是在地球周围存在着一个辐射带——一个非常巨大的能源。它具有对人体健康有害的放射性，然而这种放射的强度在它的各层并不相同，只要能够适当加以防御，至少外辐射带对于飞船的航行和制动可能起一定的有利作用。这个带是由沿着地球磁力线方向运动的电子组成的，在距离地球表面四个半径的地方它的强度达到最大值。如果有一个飞船沿着迎向电子流的方向穿过外辐射带，那么，由于它同电子流相对运动的结果必然在它的四周和内部引起一个环形的磁场，这正如物理学所讲的电流的运动要在周围产生磁场一样，只是在这里，与飞船相对运动的电子流量由许许多多小的电子束组成的。这样，假使我们能在飞船上造成一个同样环形的但是方向相反的磁场，使之反抗外部电子流造成的磁场，也就相当于反抗外部电子流、即反抗电子区与飞船的相对运动，那么显而易见，飞船的运动速度必然被迫减慢下来。基于这种原理，就可以制造出大气高层的电子制动器(图3)。

图3利用电子制动的飞船

当电子群不是平行而是垂直于飞船以更大的速度运动时，在这种情况下，就相当于有许多个与船身侧面相垂直的通电导线，如果我们在飞船上造成一个上下方向的磁场，按照电学中的左手定则，该磁场将与无数个“带曳导线”相互作用，只要方向选择的适当，“导线”所受的力一定使它远离开飞船，同时也必有一个相等相反的作用在飞船上的力，使它后退和离开这许许多多的“导线”，显然，这个力正是使飞船制动的力。

根据某些元素的发射粒子的特性，可以造出一种在高空使用的制动器。物理学已经发现，铝或钒这类元素在中子的照射下能够变成放射性的铝与钒，并且放出大量的粒子。1克放射性铝在一秒钟内放出1020个β粒子，平均能量达到几千瓦。如果有几十公斤的放射性铝，用中子照射后就可以获得数百万千瓦的能量，把它们用在飞船上可足以产生很大的推力或者反推力的。从哪里获得中子呢？最近一些科学家提出，在地球大气的更外层存在有广大的中子源，这些中子是由大气中的原子被宇宙线破坏而产生的。如此，我们就可以利用这些中子冲击飞船上的铝或钒，它们装在飞船前端的特殊的凹状的反射器中。当飞船从宇宙空间归来时，调节反射器使之迎向对面冲来的中子，于是放射性物质便开始发出大量的粒子并向前方流去，于是强大的阻挡飞船前进的制动力便由此产生了。

文中后几段提出的宇宙飞船的制动方案，只是不成熟的初步意见。笔者希望能获得对此问题有兴趣的同志们的批评和指教。