从太空飞来的纸飞机

霁雪

这是日本人提出的一个太空实验？感到很有趣，也想到一些我不明白的问题。详细内容摘自http://bbs.sciencenet.cn/forum.p ... &extra=page%3D7

霁雪

首先请回答一个问题。从在高度约400km的轨道上运行的太空站向地球放飞纸飞机时，纸飞机最终会怎样？请从下面三个选项中选出答案。

（1） 进入大气层时被烧毁
（2） 消失在宇宙太空
（3） 保持纸飞机的形态返回地球

正确答案为（3）。证实这一答案的日子一天天走近我们。日本折纸飞机协会、东京大学及日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）等目前正在共同推进“折纸飞机 从太空返回地球的项目”。目的在于制作出从快速放飞时可返回地球而不会烧毁的“超级纸飞机”。这种超级纸飞机已制作完成。目前正在与有关机构协商，将这种 纸飞机带上航天飞机上，由日本宇航员放飞。

霁雪

再请回答第二个问题。为了使超级纸飞机返回地球时不会被烧毁，在设计上有两个要点，这两个要点是什么？这一问题的提示可在右图中找到。图中的纸飞机与将从宇宙放飞的纸飞机相同。它是用一张A2尺寸的纸折叠而成，长380mm，宽220mm，重量为29g。

纸飞机由日本折纸飞机协会、东京大学及JAXA提供

答案隐藏在纸飞机的“形状”和“材料”之中。

首先是形状。超级纸飞机模仿了航天飞机的形状。这本身并无特别之处，秘密在于质量和机翼表面积的关系。要使物体从宇宙降落并防止其在进入大气层时燃烧 （也即避免温度升高至一定程度以上），需要充分控制速度。具体而言，就是采用了减小“弹道系数”的设计。该系数与质量成正比，与空气阻力系数（Cd值）和 表面积成反比，因此只要减轻重量，增大表面积就有可能不燃烧。
尽管如此，纸飞机是从位于约400km高空的太空站放飞的。太空站以高达7.9km/s左右的速度绕地球飞行，因此纸飞机的初始速度为7.9km/s。即 使减小纸飞机的弹道系数，由空气摩擦及隔热压缩产生的热量会是纸飞机表面温度有一定程度的上升，因此，若是普通纸就会被烧毁。
正当2007年项目组开始认为“到底还是不行”时，项目组结识了一种材料。这就是由横滨市的新年饰品制造商开发的“超越纸”。这种纸以烷氧基硅烷 （Alkoxysilane）溶液为起始原料，采用Sol-Gel法在普通纸张上涂布一层具有硅氧烷结合构造的薄膜制造而成。虽说是纸，却拥有出色的耐热 性及防水性。
即使温度达到二百几十摄氏度这种纸也不会燃烧。这样“纸飞机的弹道系数为0.5kg/m2时可满足要求”（参与开发工作的东京大学研究生院教授铃木真二）。模拟仿真的结果，飞机的质量和形状就被确定成本文提到的那样。计算结果显示，降落至100km左右高空时纸飞机的速度可减至5km/s
以这样的速度进入大气层，纸飞机真的不会燃烧吗？2007年12月和2008年1月，项目组在东京大学柏校区使用“极超音速高焓风洞”进行了实验（图 2）。对80mm长的航天飞机型纸飞机施加了10秒钟的7马赫（在70km高空相当于6km/s左右）高速流（气流动压约为8kPa，驻点温度约为 200℃），结果纸飞机并未燃烧或受损。这一瞬间，超级纸飞机的“实力”获得了证实。
但是，通过这种方式制作的超级纸飞机同样存在缺陷。那就是返回地球时，既不能控制降落地点，也不能让纸飞机自动通知着陆点。图3便是弥补这一缺陷的无奈之举。用10种语言在纸飞机上写明“请拾到者通知JAXA”。

霁雪

那篇原文所指的正确答案为（3）但是“霁雪”怀疑正确的答案似乎应该是（1）理由是在以上的文章中所提到的“由空气摩擦及隔热压缩产生的热量会是纸飞机表面温度有一定程度的上升，因此，若是普通纸就会被烧毁。”没有考虑环境温度。
那么环境温度是多少呢？
以下是一张地球大气层温度随高度分布图。从图中可以看到，从100公里到200公里的高空大气温度从-90迅速升高到400摄氏度的高温，300公里的高空温度高达1000度，400公里的高空温度将近1200度。
温度的意义是分子平均动能的高低，高空的空气由于收到来自宇宙的高能粒子的轰击，所以分子的运动速度相当稿。因而平均动能也就高。

霁雪

霁雪

这是我一直感到疑问的问题，那些在太空中的飞船的外部到底是处在怎样的环境温度之中呢？进行太空行走和空间站维修的宇航员们身穿的宇航服到底是为了抗热还是御寒呢？

霁雪

要不就是我们的温度的定义有不完整的地方？还请各位大侠给老拙指点指点。

lhkcc58

这里应该有很多有趣的分析

starbase

jaxa是个有点军事方向性的研究机构
还有，欧洲和日本曾经研究过太空电梯

fuzzy9405

400KM高空丢一颗生鸡蛋到达地面会不会变成一颗香喷喷熟鸡蛋呢

霁雪

怎么就没有人知道，这高空到底是冷的还是烫的吗？