想要回家好難：說說飛行器的回收

一只大黑貓

要說人類最牛的成就之一，沖出地球遨游太空肯定排得上前幾名，但更牛的不是咱們沖得出去，而是收得回來。這技術為啥更高端，有必要搞清楚。

從“天宮一號”說起

2018年4月2日8時15分左右，中國第一座空間站“天宮—號”再入大氣層，落區位于南太平洋中部，絕大部分器件在再入過程中燒蝕銷毀，這座于2011年9月29日發射升空的空間站正式謝幕。自人類進入宇航時代以來，相當多航天器到達使用壽命后都這樣終結。在“天宮一號”前，報廢的蘇聯空間站“和平號”也是于2001年3月23日再入大氣層燒毀。為保障它的殘骸不落到有人區，還專門發射了一艘“進步號”飛船補給燃料以調整軌道。較小的航天器，如一般衛星，不調整也能完全燒掉，就像一場人造流星雨。如果不希望燒毀，就必須進行專門設計和操作，并安裝防熱罩等設備，簡單地說，就是采用回收技術。

高度和垂直著陸

飛行的標志是獲得高度，擁有高度就擁有勢能，消耗勢能獲得動能，因此回收飛行器就是要緩慢可控地釋放這些能量。

最早的載人飛行器是氣球。1783年，蒙特哥菲爾兄弟發明的熱氣球升空。氣球只提供高度，也就是勢能，因此放氣減少浮力就能直接返回地面。直到現在，正常情況下載人氣球都是這樣回收的。

為了防止意外跌落或其他故障，降落傘被作為氣球的救生器材發明出來。它依靠張開傘衣增加空氣阻力來消耗勢能，減緩自高處下落的加速，實現“軟”著陸。目前降落傘在多種飛行器回收和救生中被廣泛采用，是應用最廣的回收技術。

氣球不能自主飛行，添加動力后就成為飛艇。飛艇在20世紀初廣泛用于運輸，因為充裝氫氣安全性差，已基本淘汰。目前充裝氦氣，安全性較高的飛艇還有應用。輕于空氣的飛行器體積龐大，速度很難滿足現代交通需要。

速度、水平著陸、飛機救生

利用機翼和空氣相互作用將部分動能化為升力，可以構成滑翔機和普通飛機，鳥類也是這種飛行原理。直升機的旋翼相對空氣轉動，即使機身不前進，也同樣可以產生升力。這些統稱為重于空氣的飛行器。這類飛行器的升力與流經翼面的空氣速度有關，不能像氣球、飛艇那樣靜止懸浮。所以，它們的回收不能只減少升力，還要減少翼面水平運動速度。

直升機的兩種減速過程可通過減少旋翼轉速同步完成，所以能垂直起降。固定翼飛機需要一定長度的跑道來加減速，從而完成起降，這個過程中一般用輪子支撐。如果在冰雪地，滑橇可以代替輪子，還有些輕型飛機像鳥一樣靠駕駛員雙腳起降。飛機的這個部分統稱“起落架”。

因此，起落架和跑道也是—種應用十分廣泛的飛行器回收技術。

現代飛機飛行高度和速度逐步增加，大型飛機重達數百噸，對跑道要求高，如果不能抵達指定機場，就很難成功著陸。因此，除了通常的起落架外，在戰斗機等乘員較少的飛機上還備有跳傘救生設備，必要時可彈射跳傘，犧牲飛機來保證飛行員安全。遺憾的是，由于技術要求太高，大型客機目前還不能采用這種手段。

更高、更快：火箭和飛船回收

1957年，人類發射了第一顆人造地球衛星。從那時起，針對偵察和載人飛行等需要，人們開始研究火箭和飛船的回收技術。這一技術包括兩方面：首先，是減速脫離環繞軌道，再入大氣層，由于和越來越稠密的空氣劇烈摩擦，在減速同時會放出大量熱，必須安裝防熱罩并把再入部分設計成合適形狀。之后，要進一步減速并吸收由高空下落轉化的機械能，可以采用降落傘或滑翔等手段，甚至安裝航空發動機，像普通飛機一樣飛行。

因此，航天器回收綜合了現有多種飛行器回收技術，成本和技術水平很高。大型空間站因為體積重量太大，通常不進行整體回收。

最早的可回收航天器是返回式衛星和載人飛船，二者技術基本相同，主要采用鈍頭拋物線形外殼加表面燒蝕防熱罩，最終降落傘減速。為了進一步減少降落速度，一些飛船在返回艙安裝減速火箭，接近地面時點火緩沖。

稍后，美蘇相繼開發了水平著陸的可回收航天器，即航天飛機。航天飛機外形類型固定翼飛機，表面覆蓋防熱瓦，再入大氣層減速后利用機翼滑翔，在機場降落。美國航天飛機的火箭助推器也可回收，它的前錐段里有降落傘，燃燒完后與主體分離，降落在海上，打撈修理后可重復利用。但美國航天飛機的燃料箱只能一次性使用，所以是部分可回收，蘇聯航天飛機也是靠不可回收的火箭發射。

進入新世紀后，一種完全可回收火箭，“獵鷹9號”（Falcon 9）被開發出來。它的一級火箭采用垂直降落回收。為保證火箭“站”到回收區，對著陸支架、姿態控制和發動機有很高要求，通過3次點火，可把下落速度由每秒1300米減速到每秒2米。這是飛行器回收技術的一大突破。