火箭整流罩回收成功：600萬美金從天而降

文/土星5號

和一年半前全世界矚目乃至登上美國各大媒體頭條的“獵鷹重型”首射不同，這款現役運力最強的火箭的第三次發射STP-2，正如其凌晨的發射時間一樣，在大眾的沉睡下悄然溜入夜空當中?？赡艹艘饬现械?，堪稱芯級回收詛咒的又一次回收失敗外，不會有人注意到本次發射還創造了一個太空探索技術公司乃至航天史上的第一：火箭整流罩回收成功。

如果說這個“第一”沒有實質感覺的話，或許另一組數據更有說服力。為了這一刻，太空探索技術公司花費了一年半的時間，更換了3組機械臂、4種網，就連“斯蒂文森先生號”都變了性別，成了“特里女士號”，還有無數次模型落體測試和5次失敗的實際嘗試，終于抓到了這個14米長、直徑5.2米的整流罩。至于為啥要費盡心機回收火箭這看似最不需要回收的部分，答案其實很簡單，為了保護載荷的整流罩采用的是非常昂貴的鋁鋰合金建造，外加上傳感器分離裝置等一系列電子設備，這兩個整流罩也是造價不菲。正如馬斯克所說，600萬美金從天而降豈有不要之理？

▲“獵鷹重型”夜間發射STP-2

▲有多少伙伴們看到了1小時14分鐘后？

▲整流罩不高興了要游回去……

滑翔傘和航天的緣份

不過和獵鷹9火箭第一級非?？苹梅聪蛲七M垂直降落的方式不同，整流罩的回收就顯得普通許多：通過冷氮氣噴射調整姿態再通過滑翔傘緩慢降落。不過正如太空探索技術公司所使用的幾乎全部技術一樣，滑翔傘太空返回技術和美國宇航局X-38的技術也有很深的緣分。

1964年加拿大風箏設計師多米尼克·賈伯特首次發明了滑翔傘，和圓形的傳統降落傘不同，矩形的滑翔傘內部有多個氣囊。當矩形傘翼由于下落的慣性而被風吹起時，空氣被擠壓“沖進”氣囊使其鼓起來產生升力，展開的傘就像機翼一樣滑翔，通過調整傘兩翼末端角度產生扭力來控制飛行方向。憑借著可控性和飛行距離的優勢，滑翔傘很快便打入了民用和軍用市場。

1993年美國空軍和陸軍一同開始研發“聯合精確空投系統”，并在2006年正式投入使用，開啟了全自動制導滑翔傘的先河。這種系統就是在空投貨物上安裝GPS引導控制的滑翔傘，通過阻力繩調整傘翼兩側空氣阻力，以此來引導滑翔方向，最終將貨物降落在大約半徑75米的圓形降落區內?；鑲愕幕杈嚯x還讓飛機得以在7公里的高空，理論距離投送點最遠25公里的地方，一次性完成所有貨物的精確投送，大幅度地減少了被敵方攻擊的可能性。聯合精確空投系統最大款的傘翼面積為325平方米，有著高于3的滑翔比，最多可一次性投送4.5噸的貨物。

▲滑翔傘的專利，可以看到傘翼下明顯的氣囊設計

▲整個系統真就這么大

滑翔傘在航天上的應用

美國軍方想著用滑翔傘完成無人貨物精準空投，美國宇航局卻打算用滑翔傘做更復雜的載人任務，代號X-38的載入太空載具研發測試項目在1995年正式啟動。當時正值國際空間站的計劃建造階段，由于空間站的常駐人員嚴格受到逃生飛船的限制，聯盟載人飛船一次最多只能乘坐3人，俄羅斯艙段僅能同時對接兩艘，也就是國際空間站在不和航天飛機軌道器對接的情況下最多只能駐留6人，而軌道器由于自身燃料電池的限制又無法長時間對接空間站，為此美國宇航局想研發一款能同時攜帶7人的逃生載具常駐國際空間站。鑒于當時傳統設計飛船空間的限制和航天飛機的成功，逃生載具自然毫無懸念地采用類似軌道器的升力體“滑翔機”式設計。

▲打開后的滑翔傘

▲逃生載具設想

▲X-38內部成員布置

不過這就產生了一個問題，那便是之前提到的滑翔比。滑翔比是滑翔時水平速度除以垂直速度，但由于從太空再入降落要經過一系列的大氣密度，同樣的造型同樣的氣動設計在不同階段滑翔比大不相同。舉例而言，軌道器在上層大氣再入時的滑翔比只有1，但亞音速降落前的滑翔比則為4.5。由于作為逃生載具的X-38沒有貨艙，其體積和質量都遠小于軌道器，若以同樣的滑翔比降落會造成上層大氣再入時滑翔比過高，會如打水漂一樣被彈出大氣層。若縮短翼展滿足再入要求，則會造成在低層大氣中垂直速度過快不能安全降落，且更短的翼展意味著更短的力矩，不利于調整和控制X-38滑翔時的橫滾。既然無法取舍那就讓X-38在中低層大氣時“增加”翼展不就行了？美國宇航局的工程師們一拍腦袋望向了隔壁的“聯合精確空投系統”。

X-38的造型設計參考了美國空軍1960年代的測試機X-24，采用無機翼的完全升力體，不同的是進入中低層大氣后X-38頂部會打開一個滑翔傘提供升力引導降落。為避免滑翔傘打開時的氣動應力過大破壞傘體和機身的連接，以及避免航天員承受過快的減速，X-38會先打開一個小的減速傘穩定飛船，而后在24秒內分5個階段打開主滑翔傘。和航天飛機軌道器不同，作為逃生飛船的X-38全部降落程序無需任何手動操作，必要時任務控制中心可遠程操作降落，航天員亦可手動接管。X-38預計長9.1米，全重10.66噸，可放置在航天飛機軌道器貨艙內發射入軌，飛船內部電池足夠生命維持裝置運轉9小時，座艙內還配備了7套高空跳傘服作為航天員最后的逃生手段。

▲滑翔傘為X-38提供升力，引導降落

▲由B-52負責投放的落體測試

▲X-38降落

X-38總共造了4架測試機，最后一架編號為V-201是90%比例測試機并曾計劃在2003年由航天飛機發射入軌測試。X-38總共進行了超過350次落體測試，其中有13次使用的滑翔傘面積達700平方米，足以讓11噸重的測試載具以每秒不到6米的垂直速度降落，雖然這大約是現代客機降落垂直速度的兩倍，但對于航天員來說是絕對安全的速度。

可惜2001年國際空間站的研發和建造嚴重超支，許多“非核心”項目被取消，導致已經90%研發完畢的X-38未能完成臨門一腳。盡管如此，耗時7年的X-38還是證明了全自動引導滑翔傘在太空飛船上的可行性，更解決了諸如展開大型滑翔傘，減小傘對飛船的應力和精確引導滑翔等技術問題。

整流罩的各種改進

或許正是X-38給了太空探索技術公司滑翔傘回收整流罩的基礎技術和信心，從2018年11月公布的“龍”飛船發射終止測試環境評估報告中可以看到，太空探索技術公司兩款滑翔傘皆由尼龍材料制造并用凱夫拉纖維繩和整流罩連接，此種纖維的極限拉伸強度是同質量下鋼鐵的5倍，且和金屬不同，耐海水腐蝕。傘翼面積更大的滑翔傘，估計對應的是從2018年2月“獵鷹9”發射開始使用的新型整流罩。這也從一個側面證明，改進后的版本針對回收強化后的整流罩在質量上是大于原版。

和“獵鷹9”的第一級火箭類似，整流罩在100公里左右高空分離后通過冷氮氣噴射調整姿態，以半弧形朝下的姿勢墜入底層大氣。而后在大約15公里的高空，一個小型減速傘提前打開穩定整流罩下落，略高于X-38減速傘的高度，隨后傘翼面積約280平方米的主滑翔傘在降落傘的拉動下展開，完全展開后減速傘被切斷拋棄。理論上講，速度足夠緩慢無傷落入水中的整流罩，可以由船只撈起復用，但為了避免整流罩開啟裝置被海水腐蝕導致無法工作，太空探索技術公司還是盡可能避免其和海水接觸。外觀奇葩的大型捕捉網船“斯蒂文森先生號”因此誕生，在整流罩落入大海之前將其“接住”。

正如前文所說，太空探索技術公司需要的不是研發新的技術，而是完善改進現有的技術，而這又恰好是它最擅長辦的事情。從100公里到15公里時整流罩的姿態調整，整流罩形狀對滑翔傘產生的氣動影響，乃至GPS滑翔傘為了能和捕捉船會合的引導算法，無一不需要無數次的嘗試來完善。當然對于一年21次發射且研發部門在生產部門隔壁的太空探索技術公司來說，統籌數據改進軟件設計等簡直易如反掌，剩下的便是無數次通過測試來完善優化整套系統所需的一系列參數，然后找一個老司機開船來追上整流罩了。如果覺得這個步驟聽上去怎么那么熟悉，那是因為這就是太空探索技術公司完成第一級火箭陸地和海上回收技術研發的步驟，就整流罩而言其技術甚至還更簡單了一些。從某種意義上講，接住這從天而降的600萬美金，是太空探索技術公司一系列刷新航天界的技術應用當中，最不意外的意外成就了。

▲舊版（左）和新版（右）預估的大小區別

▲又沒接到

▲落入海中的整流罩

不過，落水后又被撈起的整流罩并非完全無用，馬斯克說這些落水整流罩會被用來發射太空探索技術公司自家的星鏈衛星，不讓第三方客戶擔心再次利用這600萬美金……