本文参加百家号#科学了不起#天文航天系列征文赛。
让航天器迅速穿透大气层是一件容易做到的事情，它会像流星一样燃烧起来，但是问题是我们需要让航天器慢慢地穿透大气层。虽然理论上这也是可以做到的，但是如果用的是普通火箭，则将要消耗大量燃料。我们也可以用空气制动来实现，包括用轨道飞艇惊人地缓慢地重返大气层。在不久的将来，还可能有一些其他的方法，比如太空电梯，或者旋转“天钩”。
为了了解普通火箭为何难以穿透大气层，这里有一个关于轨道的有趣的知识。如果你能往大气层上方扔一个球，重力仍然会像地球上一样把它拉下来。如果你把它扔得足够快，它会在撞击地球之前就已经超出地平线，而地球的引力会继续把它拉成曲线，直到它回到起点。这就是为什么像国际空间站这样的卫星能始终保持在轨道上，也就是为什么这经常被称为自由落体。
如果要在轨道上掠过地球大气层，航天器必须至少以每秒7.8公里的速度飞行，即大约每小时英里。而地球连同它的大气层，时时刻刻以每小时英里的速度向东旋转。所以我们可以让宇宙飞船绕地球旋转的同一方向来运行，以此来降低回归速度。不过，这只是帮了一个很小的忙，宇宙飞船还是得以每小时英里的速度相对于我们的大气层飞行，才能始终保持在轨道上。
若航天器在掠过大气层时，以低于这个速度的速度飞行，哪怕是小小的速度差，比如每小时几百英里，它都会在完成设定轨道之前落回地球。此时航天器将会以每小时数千英里的速度撞击大气层，并像一颗炽热的火球一样穿透大气层。此时航天器需要依靠外壳来免受高温的伤害。
比如年12月11日，联盟TMA17M航天器在.7公里高度的近地轨道绕行，后改变速度，以每秒米或每小时英里的速度回归地球。
但我们就不能像登月舱飞行员在月球表面盘旋一样在大气层上空盘旋吗？你可能还记得阿波罗11号登月舱在着陆时几乎耗尽燃料，因为航天器的计算系统把它们带到一个满是陨石坑的陡坡上，那里有许多如汽车大小一般的岩石。
当尼尔·阿姆斯特朗在讲述他的着陆时，他说他通过人工操作，像“直升机一样”地飞向西方，去寻找一个好的着陆点。在月球引力很弱的情况下，火箭推力足以完成这个任务。而在地球较重的引力作用下，做这样的盘旋将需要大量的燃料。所需燃料的量非常大，以至于当飞船充满这些燃料时，需要做到几乎和你在电视上看到的那些将飞船送入轨道的火箭的尺寸一样大！实在是太大了！
但如果能使用高功率密度的燃料，比如反物质，一种能把物质直接转化为能量的燃料，或者是核聚变的燃料，问题就很容易解决。航天器只需要不断地以1g来保持它减速时的位置，就可以如所希望的那样缓慢或快速地降落到地面。
但我们还没有这样的燃料。那还有别的办法吗？
太空电梯
我们可以用太空电梯把宇宙飞船缓慢地降落到大气层。这是一个巨大的升力，它的顶部离我们的大气层很远，甚至超出了地球的静止轨道，而尾部在赤道位置的地面。它由一个在地球静止轨道上方的平衡物固定并拉紧。这段视频介绍了它的工作原理，并且在视频开头对轨道的知识进行了回顾。
航天器可以在地球的静止轨道进行对接，这很容易做到，只要确保飞行器飞行的方向与地球旋转的方向一致，飞行器便可以在地球上的同一点上一直保持静止，并且相对于电梯的顶部保持静止，它就可以像国际空间站那样慢慢停靠。
一旦做到了这一点，就可以离开飞船，或者把飞船连接到电梯上，然后以英里每小时的速度，或者觉得舒适和安全的任何速度，慢慢地沿着电梯向下走，直到到达地球表面。在下降的过程中，将会感觉到重力从零重力逐渐增加到全重力。
阿瑟·C·克拉克的科幻小说《天堂的喷泉》正是基于这一理念。
太空电梯是一个庞大的工程项目，在建造之前要解决很多问题。不过，当前存在的一个问题是它的建造材料。这个工程要求电缆能够承受数千公里的距离带来的变化。然而现在的材料，比如Kevlar和稍强的Zylon，只能支撑几百公里。实验室制备的碳纳米管对于太空电梯来说足够坚固，但实际上，当被制成更大的电缆时，会因为一些缺陷导致它们的效果比Kevlar还弱。虽然利用Kevlar或Zylon在重力较弱的月球上建造太空电梯是可能实现的，但在地球上是不可能的。以后我们再对此进行详细介绍，同时也探讨其他的方法。
参考资料
1.Wikipedia百科全书
2.天文学名词
3.forbes-Sheryll
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