为什么探测器进入各种行星的大气层都是加个隔热层很快地摔下去，能不能早早开伞慢慢飘下去？
这个问题问得特别好，也击中了很多人对太空探索的直观理解——“为什么不能早点打开降落伞，慢慢地降落呢？” 实际上，行星大气层和地球的大气层有很大不同，而且我们探测器在设计时，也面临着一系列复杂而严苛的挑战，这使得“早早开伞”这条路走不通。
咱们一件一件地聊。
1. 为什么探测器进入大气层时，首先是“摔”下去，而不是“飘”？
你说的“摔下去”其实是一种非常形象的描述，但更准确地说，是高速进入大气层，并依靠隔热层抵御剧烈摩擦产生的高温。
巨大的速度差： 探测器从太空前往行星，那速度可不是咱们汽车开车的速度。为了摆脱地球引力，或者从遥远的星际空间抵达目标行星，探测器本身携带了巨大的动能，速度可能达到每秒几十公里，甚至上百公里。这么高的速度，即使行星大气层密度不高，也会产生非常可观的阻力。
空气动力学加热： 当探测器高速冲入大气层时，它并不是“穿过”空气，而是“挤压”和“压缩”空气。空气在探测器前方被极度压缩，分子之间的碰撞变得异常剧烈，能量以热量的形式释放出来。这种现象叫做绝热压缩。想象一下你快速给自行车打气，气筒会发热，原理是类似的，只不过在太空探测器进入大气层时，这种效应被放大了无数倍。
等离子体鞘： 随着速度越来越快，被压缩的空气温度会急剧升高，高到空气中的分子会电离，形成一层炽热的等离子体。探测器会被这层高温等离子体包裹起来，这层等离子体会在探测器周围形成一个“鞘”。
烧蚀与隔热： 探测器外壳的材料会被这些高温的等离子体烤得发红，甚至熔化、蒸发。所以，我们看到探测器会有一层厚厚的隔热层（通常是特殊的烧蚀材料）。这层材料的作用不是“隔热”防止热量传进来，而是主动牺牲自己，通过烧蚀、升华等物理化学过程，带走大量的热量，就像一块“牺牲品”，用自身物质的损耗来保护内部的结构和科学仪器。这个过程叫做“烧蚀隔热”。
所以，探测器首先要经历的是一段“燃烧”般的旅程，用最坚固、最能耐高温的隔热层硬抗住这种极端的热量，才能不被烧毁。
2. 为什么不能早早打开降落伞，慢慢飘下去？
这就涉及到了行星大气层的特性、降落伞的工作原理以及科学探测器的需求。
大气层密度：
地球： 地球大气层密度相对较高，并且随着海拔降低而显著增加。一开始，探测器速度非常快，但大气层密度较低，隔热层主要负责应对高温。当速度逐渐降低后，大气层密度足够大，降落伞才能有效地工作，提供足够的阻力来减缓速度。
其他行星（例如火星）： 很多行星的大气层密度比地球低得多。比如火星，其大气压只有地球海平面大气压的约1%。这意味着，即使你打开降落伞，它产生的阻力也非常有限，不足以在短时间内将探测器的速度降到安全着陆的程度。
金星： 金星的大气层则完全是另一个极端，非常稠密，而且主要是二氧化碳，温度极高（400多摄氏度），压力是地球海平面压力的90多倍。在这种环境下，降落伞会承受巨大的压力和高温，材料的选择和设计会非常困难，而且降落速度会比在地球上慢很多。
降落伞的工作原理：
降落伞是通过增加空气阻力来减缓物体的下落速度。它的效率很大程度上取决于大气密度和物体与空气的相对速度。
高速时的隐患： 如果在速度极快、大气密度不高的时候就打开降落伞，会发生什么？
撕裂： 巨大的空气动力载荷会瞬间作用在降落伞上。降落伞就像一面帆，在高速风的作用下会承受巨大的拉力。如果速度太快，降落伞的材料和连接结构可能会承受不住，直接被撕裂。
效率低下： 在稀薄的大气层中，即使打开了降落伞，提供的阻力也远不足以显著降低速度。它可能只会稍微减缓一点点速度，然后依然以非常快的速度继续下落。
不稳定： 高速下降时，大气流动往往非常湍流，这会让降落伞不稳定，产生严重的摆动，可能导致探测器失控。
科学探测器的需求：
精确着陆： 许多科学任务需要探测器精确地降落在特定的区域，例如一个古老的河床、一个可能存在生命迹象的陨石坑，或者一个可以进行科学考察的山丘。
多阶段减速： 为了实现精确着陆，通常需要一个多阶段的减速过程。
第一阶段：大气进入和减速。 在这一阶段，隔热层是主角，它利用自身烧蚀带走大部分高速带来的动能和热量。
第二阶段：降落伞减速。 当速度降低到一定程度（例如音速以下，或者在一个相对安全的速度范围内），并且大气密度允许时，才会打开降落伞，进一步减缓速度。
第三阶段：推进器/反推减速。 即使有了降落伞，速度仍然可能太快，无法直接着陆。因此，很多探测器会配备反推火箭，在距离地面几百米甚至几十米的时候启动，提供反向推力，实现最终的软着陆。
第四阶段：着陆腿/气囊缓冲。 最后，着陆腿、安全气囊等缓冲装置会在接触地面时吸收剩余的冲击力。
总结一下：
探测器进入行星大气层，首先需要穿越的是一道“火焰之门”。隔热层是为了在最危险、最热的阶段保护探测器不被烧毁。过早打开降落伞，在速度极快、大气密度可能不足以支撑降落伞有效工作的阶段，只会面临被撕裂、效率低下或失控的风险。
行星大气层是一个动态变化的介质，减速过程是一个精心设计的、多阶段的工程挑战。它需要在最严苛的条件下先“熬过去”，然后根据大气条件和自身速度，逐步换用不同的减速工具，比如降落伞、反推火箭，最终才能安全、精确地抵达行星表面，开始它的科学使命。
所以，不是我们不想早点用降落伞，而是行星大气层的物理规律和我们对科学探测的严苛要求，不允许我们这样做。每一次成功的行星着陆，都是一次对物理学、材料科学和工程技术的极致考验。
咱们一件一件地聊。
1. 为什么探测器进入大气层时，首先是“摔”下去，而不是“飘”？
你说的“摔下去”其实是一种非常形象的描述，但更准确地说，是高速进入大气层，并依靠隔热层抵御剧烈摩擦产生的高温。
巨大的速度差： 探测器从太空前往行星，那速度可不是咱们汽车开车的速度。为了摆脱地球引力，或者从遥远的星际空间抵达目标行星，探测器本身携带了巨大的动能，速度可能达到每秒几十公里，甚至上百公里。这么高的速度，即使行星大气层密度不高，也会产生非常可观的阻力。
空气动力学加热： 当探测器高速冲入大气层时，它并不是“穿过”空气，而是“挤压”和“压缩”空气。空气在探测器前方被极度压缩，分子之间的碰撞变得异常剧烈，能量以热量的形式释放出来。这种现象叫做绝热压缩。想象一下你快速给自行车打气，气筒会发热，原理是类似的，只不过在太空探测器进入大气层时，这种效应被放大了无数倍。
等离子体鞘： 随着速度越来越快，被压缩的空气温度会急剧升高，高到空气中的分子会电离，形成一层炽热的等离子体。探测器会被这层高温等离子体包裹起来，这层等离子体会在探测器周围形成一个“鞘”。
烧蚀与隔热： 探测器外壳的材料会被这些高温的等离子体烤得发红，甚至熔化、蒸发。所以，我们看到探测器会有一层厚厚的隔热层（通常是特殊的烧蚀材料）。这层材料的作用不是“隔热”防止热量传进来，而是主动牺牲自己，通过烧蚀、升华等物理化学过程，带走大量的热量，就像一块“牺牲品”，用自身物质的损耗来保护内部的结构和科学仪器。这个过程叫做“烧蚀隔热”。
所以，探测器首先要经历的是一段“燃烧”般的旅程，用最坚固、最能耐高温的隔热层硬抗住这种极端的热量，才能不被烧毁。
2. 为什么不能早早打开降落伞，慢慢飘下去？
这就涉及到了行星大气层的特性、降落伞的工作原理以及科学探测器的需求。
大气层密度：
地球： 地球大气层密度相对较高，并且随着海拔降低而显著增加。一开始，探测器速度非常快，但大气层密度较低，隔热层主要负责应对高温。当速度逐渐降低后，大气层密度足够大，降落伞才能有效地工作，提供足够的阻力来减缓速度。
其他行星（例如火星）： 很多行星的大气层密度比地球低得多。比如火星，其大气压只有地球海平面大气压的约1%。这意味着，即使你打开降落伞，它产生的阻力也非常有限，不足以在短时间内将探测器的速度降到安全着陆的程度。
金星： 金星的大气层则完全是另一个极端，非常稠密，而且主要是二氧化碳，温度极高（400多摄氏度），压力是地球海平面压力的90多倍。在这种环境下，降落伞会承受巨大的压力和高温，材料的选择和设计会非常困难，而且降落速度会比在地球上慢很多。
降落伞的工作原理：
降落伞是通过增加空气阻力来减缓物体的下落速度。它的效率很大程度上取决于大气密度和物体与空气的相对速度。
高速时的隐患： 如果在速度极快、大气密度不高的时候就打开降落伞，会发生什么？
撕裂： 巨大的空气动力载荷会瞬间作用在降落伞上。降落伞就像一面帆，在高速风的作用下会承受巨大的拉力。如果速度太快，降落伞的材料和连接结构可能会承受不住，直接被撕裂。
效率低下： 在稀薄的大气层中，即使打开了降落伞，提供的阻力也远不足以显著降低速度。它可能只会稍微减缓一点点速度，然后依然以非常快的速度继续下落。
不稳定： 高速下降时，大气流动往往非常湍流，这会让降落伞不稳定，产生严重的摆动，可能导致探测器失控。
科学探测器的需求：
精确着陆： 许多科学任务需要探测器精确地降落在特定的区域，例如一个古老的河床、一个可能存在生命迹象的陨石坑，或者一个可以进行科学考察的山丘。
多阶段减速： 为了实现精确着陆，通常需要一个多阶段的减速过程。
第一阶段：大气进入和减速。 在这一阶段，隔热层是主角，它利用自身烧蚀带走大部分高速带来的动能和热量。
第二阶段：降落伞减速。 当速度降低到一定程度（例如音速以下，或者在一个相对安全的速度范围内），并且大气密度允许时，才会打开降落伞，进一步减缓速度。
第三阶段：推进器/反推减速。 即使有了降落伞，速度仍然可能太快，无法直接着陆。因此，很多探测器会配备反推火箭，在距离地面几百米甚至几十米的时候启动，提供反向推力，实现最终的软着陆。
第四阶段：着陆腿/气囊缓冲。 最后，着陆腿、安全气囊等缓冲装置会在接触地面时吸收剩余的冲击力。
总结一下：
探测器进入行星大气层，首先需要穿越的是一道“火焰之门”。隔热层是为了在最危险、最热的阶段保护探测器不被烧毁。过早打开降落伞，在速度极快、大气密度可能不足以支撑降落伞有效工作的阶段，只会面临被撕裂、效率低下或失控的风险。
行星大气层是一个动态变化的介质，减速过程是一个精心设计的、多阶段的工程挑战。它需要在最严苛的条件下先“熬过去”，然后根据大气条件和自身速度，逐步换用不同的减速工具，比如降落伞、反推火箭，最终才能安全、精确地抵达行星表面，开始它的科学使命。
所以，不是我们不想早点用降落伞，而是行星大气层的物理规律和我们对科学探测的严苛要求，不允许我们这样做。每一次成功的行星着陆，都是一次对物理学、材料科学和工程技术的极致考验。
网友意见
这是一个超音速降落伞的问题。以好奇号（火星科学实验室MSL）为例，进入火星大气层的初速度大约是每小时1.8万km，此时高度大约是120km，而经历了2100度高温和剧烈减速阶段后，直到11km高度才打开降落伞，此时MSL着陆器的速度已经降低到每小时2000km，即每秒550米。火星和地球相比大气稀薄的多，密度比地球大气低1-2个数量级，火星大气这个高度上的声速是240米/秒，也就是说开伞速度远超声速，大约是2.3马赫。
我们知道，物体在流体中受到的阻力与空气密度、运动方向的投影面积A、速度的平方、阻力系数成正比：
但遗憾的是，在超音速情况下阻力系数不再是常数。
下图模拟了前体（探测器）和一个降落伞在 1.5马赫流体中的运动情况。左侧为压力场，右侧为速度场。超声速运动的前体（探测器）会在两侧形成锥形的激波，后侧形成尾流。
高速尾流进入到降落伞的伞盖中，流速降低，形成高压区，进而形成从伞盖到探测器的反向气流（右图蓝色区域）。
反向气流会完全破坏探测器的锥形激波，在探测器后方形成高压区，并且降低了降落伞附近区域的流速。此时伞盖内部的压力降低，内外压差变小
于是降落伞开始收缩。
随着降落伞收缩，反向气流也随之消失，前体（探测器）周围的锥形激波和尾留得以重新建立，降落伞重新打开……于是又回到了第一张图。
如此循环往复……
取自 Steve Lingard “SUPERSONIC PARACHUTES” https://solarsystem.nasa.gov/docs/11%20-%20Supersonic%20parachutes%20Lingard.pdf
因此降落伞在超声速的时候是非常不稳定的，如上所示的这种振荡现象大大降低了降落伞的阻力系数。
上图：不同形状的降落伞在不同马赫数（横轴）下的阻力系数（纵轴）。
盘-缝-带（DGB）构型的降落伞经过了大量检验，已经被证明具有较好的超音速特性，需要在3马赫以下的速度展开。近年来的几个火星探测器（好奇号、勇气-机遇号、火星探路者号）均采用了这种构型，实际都是在1.7-2.3马赫左右的速度下展开的。此时探测器的动能相比初入大气层时已经削减了99%。
虽然土卫六的大气比火星和地球都要浓密的多，但是惠更斯号着陆器的降落伞也采用了DGB构型，并在1.7马赫下成功展开。上图是1993年在美国田纳西州的阿诺德空军基地进行风洞试验的照片。
前不久（2017年10月4日），NASA为2020年的火星任务进行了第一轮降落伞测试，由一枚火箭将载荷送到51km的高度，载荷在下落到 42km时以1.8马赫的速度释放降落伞，降落伞在半秒内成功打开，产生了3.5万磅（1.6万公斤）的阻力。高速相机拍下了这面超音速降落伞的展开过程。
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