“黑店”的“空中雜技”
—— 細數空中回收的歷史

□ 土星5號

“黑店”的“空中雜技”
—— 細數空中回收的歷史

□ 土星5號

“黑店”的從良

重復使用是現在火箭領域超級熱門的一個話題，除了太空探索公司的“獵鷹”9火箭第一級反推降落的回收方式外，美國聯合發射聯盟（ULA）在取代“宇宙神”5和“德爾它”4 的 “火神”火箭設計圖中，也首次引入回收概念。不過和“獵鷹”9完整回收火箭第一級不同，ULA只計劃回收火箭第一級的兩臺BE-4或AR-1引擎。有趣的是ULA的首席執行官托里·布魯諾以“聰明回收”稱呼“火神”的回收方式，言外之意便是“獵鷹”9的回收方式是“愚蠢回收”，頗有些對已分了ULA發射任務半壁江山的太空探索公司“宣戰”的味道。“火神”火箭回收計劃核心在于通過重復利用占火箭第一級造價約65%的引擎來降低發射成本，一直以昂貴發射價格和幾乎完美的發射成功率自詡的ULA，突然學起以廉價著稱的太空探索公司開始火箭回收降價，不禁讓人覺得太空發射“黑店”也有從良的一天。

和“獵鷹”9通過引擎多次點火，讓一級箭體反向降落到地面或者駁船的方式不同，ULA的回收方式頗有些簡單粗暴的感覺。在一級引擎熄火后，引擎模組和一級燃料罐分離(上頁圖中2)，燃料罐自由落體入海融入生態系統，超音速下落的引擎模組則在前端打開充氣減速罩，從超音速減速到亞音速（上頁圖中3）。引擎模組亞音速后開啟降落傘，回收直升機隨后在引擎掉入海洋之前掛住降落傘回收引擎（上頁圖中4）。ULA之所以選擇空中回收而不是像航天飛機的固體燃料助推火箭一樣海面回收，是因為和固體燃料火箭不同，液體燃料引擎若想復用必須保證燃料管線不能受海水腐蝕，因而引擎不可與海水接觸。

“火神”火箭看似在表演空中雜技的回收，其實是早已被美國軍方和美國航宇局重復使用多次的空中回收改版。某種意義上這也是托里·布魯諾自詡為“聰明回收”的自信來源，因為這畢竟已經是半成熟的回收技術，不論是需要攻克的技術瓶頸還是所要冒的技術風險，都遠低于從零開始研發回收方式的太空探索公司。

HC-130回收KH-7的膠卷膠囊

回收的航天飛機固體燃料助推火箭

C-119運輸機在回收“科羅娜”間諜衛星的返回膠囊（下圖為掛住膠囊降落傘的掛鉤特寫）

為間諜衛星而生

以空中掛取回收從太空返回的人造物體有著悠久的歷史，1960年8 月19日，一架經過改裝的C-119運輸機在夏威夷附近空域用裝在尾部貨艙門外的特制環形索鉤住了代號“探索-14”的返回膠囊，空中回收的歷史至此開始。此神秘返回膠囊的載荷，是堪稱間諜衛星鼻祖的“科羅納”間諜衛星的拍攝膠卷，此次任務也是人類有史以來首次用衛星對地面進行拍攝。由于上世紀50至60年代攝影技術的限制，“科羅納”需要以膠卷拍攝，并在拍攝完畢后把膠卷以物理形式送回地面分析。鑒于膠卷中涉及大量蘇聯和中國的敏感設施情報，回收成了問題，墜落地面或海面容易被民眾發現且撞擊會對膠卷造成損傷，刻意封鎖特定海域又容易暴露間諜衛星的存在。美國中央情報局和美國空軍最終決定采用空中回收，保證膠片盡可能完好無損的同時做到避人耳目，悄無聲息地取回返回膠囊。

和ULA的回收方式類似，一架10人機組的運輸機提前飛往膠囊預計返回空域，兩名遙感操作員提前計算返回軌道并告知飛行員，隨后在大約15240米的高度上由機組人員肉眼捕獲。艙門操作員開啟尾部艙門并釋放掛鉤，待掛住返回膠囊的降落傘后再由絞盤將整個膠囊連同降落傘一起拉入機艙。回收完畢后運輸機立刻返回珍珠港的希卡姆空軍基地，早已等待多時的C-141運輸機會將膠囊火速送往位于馬里蘭州米德堡的美國國家安全局總部進行分析。若飛行員未能成功掛住降落傘，則可派遣船只回收或干脆棄之不管，安裝在返回膠囊底部的鹽栓會在兩天后被海水溶解，整個膠囊沉入海底后海水的腐蝕會徹底破壞膠卷。當然放棄返回膠囊里的膠卷是下下策，為避免這種情況，回收機組每天都會訓練空中回收空投的假目標，以確保實際回收時能萬無一失。

從1959年起至1972年止，“科羅納”間諜衛星總共發射144次，其中102次回收成功，改造過的C-119和C-130運輸機都先后參與回收。不過中央情報局對回收成功的定義是膠卷可以讀取，因而不乏有物理回收成功但膠卷損壞的案例存在。1961年專門負責研發操縱間諜衛星的美國國家偵查局（NRO）成立后，“科羅納”間諜衛星根據拍攝技術的先進程度被重新分類編號為KH-1至KH-4（Key Hole），后續數字隨著拍攝技術升級而升高，日后伴隨美國國家偵察局至今的“鎖眼”系列間諜衛星自此開始。一直到1976年12月19日發射入軌的KH-11間諜衛星開始使用數字圖像傳輸為止，KH-5至KH-9系列間諜衛星全部延續了“科羅納”的空中膠囊回收，不過鑒于未到“信息自由法案”規定的50年解密時限，后續“鎖眼”衛星的回收情況尚不得而知。

撞毀在沙漠上的返回艙

真正的“空中特技”

天算不如人算的民間嘗試

除去間諜衛星膠卷悠久的空中回收歷史外，美國航宇局也曾嘗試過空中回收，那便是太陽風粒子探測器“起源號”的樣品返回艙。2001年8月8日發射的“起源號”探測器主要目的是采集太陽風粒子，以便天文學家們能精確計算太陽風主要成分。為避免地球磁場對太陽風粒子的污染，“起源號”探測器在遠離地球磁場的地日L1拉格朗日點進行樣品采集。2004 年4月2日采集完成后，“起源號”在5月2日飛掠地球繞道地日L2拉格朗日點減速，以便在美國時間的白天發射樣品返回艙重返大氣層。由于擔心返回艙降落地面時的撞擊和震動會破壞樣品儲存膠囊，進而污染太陽風粒子，美國航宇局決定采用直升機空中回收。

計劃中“起源號”會在第二次掠過地球的時候釋放大約275千克重的樣品返回艙，回收地點為猶他州美國空軍“猶他測試與訓練中心”空域。進入地球大氣大約80秒后，返回艙在距離地面33千米時開啟減速降落傘，隨后在距離地面6.7千米時打開主降落傘以穩定下降。在距離地面2.5千米時，直升機將用大約5米長的鉤子鉤住主降落傘，若此高度回收失敗，第二架備用直升機將在2千米高度再次嘗試。鉤住降落傘后，直升機會將返回艙吊入地面上的密封艙，以確保全程無污染。

和“科羅納”的膠囊相比，“起源號”的返回艙速度更快且質量更大，空中捕獲頗有些空中特技的味道。美國航宇局認為既然是空中特技，那何不讓專業的來？于是他們真的去好萊塢雇傭了兩名直升機特技飛行員。為確保能順利掛住降落傘，二名飛行員已提前進行了數次模擬，沒有一次失敗。外加上2.5千米的高度足夠兩架直升機各進行4次嘗試，兩名飛行員和美國航宇局都對空中回收信心十足。

可惜人算不如天算，計劃永遠趕不上變化。格林尼治標準時間2004 年9月8日16時55分，“起源號”釋放的樣品返回艙以超過每秒11.04千米的速度進入地球大氣層，然而由于返回艙加速度測量裝置的設計問題，減速降落傘和主降落傘均沒能按原計劃開啟。兩位飛行員什么都做不了，只能看著返回艙以86米每秒的速度撞在猶他州圖埃勒縣的沙漠上。猛烈的撞擊造成返回艙破損，樣品儲存膠囊破裂，好在沙子松軟的質地緩和了部分沖擊，后續對樣品膠囊的檢查并沒有發現外泄。

不幸中的萬幸是污染太陽風粒子的僅有沙子，并沒有液態水，且太陽風粒子以晶片附著方式儲存，沙子可以物理形式與樣品分離。樣品清理工作從2004年9月21日開始，第一塊晶片在2005年1月處理完成，“起源號”返回艙殘骸的清理則持續了4周，分析事故原因的同時妥善處理返回艙電池的有毒物質。隨后對樣品的解析證明污染并不嚴重，可以完成“起源號”探測器計劃中的主要科研目標，這也算沒有讓耗資2億6千萬美金的科研項目打了水漂。

拯救了“起源號”的太陽風粒子的采集晶片，每一個六邊形晶片均由高純度的藍寶石和金剛石鑲嵌而成，在表面有硅和金涂層。

“好奇號”火星車使用的減速隔熱罩。進入火星大氣時隔熱罩承受了超過7700攝氏度的高溫，比太陽表面還要熱2000余度

充氣式再入測試載具（IRVE-3）

ULA真正的“空中特技”

和“科羅納”返回膠囊以及“起源號”返回艙比，ULA的引擎模組雖然體積質量都更大，但一級火箭分離時的高度和速度都遠低于重返大氣層時的高度和速度，就技術難度而言挑戰并不大。與其說用直升機掛住引擎模組降落傘是“空中特技”，倒不如說引擎模組從分離時的超音速減速到亞音速所需的充氣氣動減速罩更有“空中特技”的味道。

充氣式氣動減速罩最早來源于美國航宇局降落火星的減速裝置。火星大氣壓不到地球海平面大氣壓的1%，稀薄的大氣使得降落傘的終端速度遠高于安全著陸速度，飛行器因此需要額外的減速裝置。充氣式減速隔熱罩和傳統的硬式隔熱罩相比，有著質量輕可折疊、儲存體積小的優勢，同時氣體又是絕佳的隔熱和緩沖材料。但充氣式對技術要求高，減速罩表面材料不僅要有足夠柔性以便在短時間內完全展開，還要足夠耐熱以抵御超音速空氣摩擦產生的熱量。以美國航宇局測試過的“充氣式再入測試載具”（IRVE）為例，減速充氣罩由氮氣充氣，在不到90秒的時間內從直徑0.38米的包裝大小擴張到直徑3米，充氣罩薄膜由外層鍍硅的凱夫拉合成纖維制成。測試時IRVE-3從463.5千米的高空落下后完成了從10馬赫到亞音速的減速，整個過程最大加速度為20g，所承受最高溫度超過538攝氏度。IRVE是美國航宇局“超高音速充氣氣動減速裝置”（HIAD）項目的測試飛行器，目標在于提供一種更有效更節省空間的火星降落減速方式。

對于要在地球大氣內使用類似裝置的ULA來說，一級引擎模組的地球下落速度遠低于從地球飛往火星的飛行器進入火星大氣的速度，外加上超音速階段地球外層大氣較為稀薄，充氣氣動減速罩或許不需要NASA那樣“高標準嚴要求”，但終歸也是要攻克的技術難關。以“火神”火箭第一級5.4米的直徑為參考，引擎模組需要至少是IRVE充氣罩直徑三倍的充氣罩才能完成減速，這無疑對沒有任何充氣減速罩設計經驗的ULA來說是個挑戰。到底ULA會如何設計整個回收中最關鍵的一部分，還要看“火神”火箭后續的消息了。