火箭整流罩的寶藏功能

正如高速列車(chē)的車(chē)頭通常被設(shè)計(jì)成子彈頭的外形一樣，速度更快的火箭頂部也會(huì)有一個(gè)流線型的結(jié)構(gòu)，這就是整流罩。整流罩是火箭能夠安全飛離地球大氣層的保障。它究竟有什么寶藏功能？能不能被回收利用呢？

保護(hù)人造衛(wèi)星的“金鐘罩”

整流罩是衛(wèi)星的“金鐘罩”。它的第一大功能就是在飛行過(guò)程中保護(hù)火箭運(yùn)載的人造衛(wèi)星?；鸺诖髿鈱觾?nèi)飛行時(shí)，速度高達(dá)每秒數(shù)千米。在此過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生音爆、激波、震動(dòng)等，火箭本體與空氣劇烈摩擦還會(huì)產(chǎn)生大量熱量。

然而，人造衛(wèi)星作為極其精密的科學(xué)設(shè)備，向來(lái)是“嬌貴”的——它不能承受過(guò)高的溫度與過(guò)于劇烈的震動(dòng)。因此，火箭飛行時(shí)，整流罩可以將高溫、高速的氣流屏蔽在外，為人造衛(wèi)星營(yíng)造一個(gè)安全的環(huán)境，直至飛出大氣層。

人造衛(wèi)星的“空調(diào)房”

整流罩還像一間舒適的“空調(diào)房”。在發(fā)射之前相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，人造衛(wèi)星就已被包裹在整流罩內(nèi)部，因?yàn)榛鸺诎l(fā)射前很可能長(zhǎng)時(shí)間暴露于高溫、高濕、雷電等不利的環(huán)境下。整流罩連接著空調(diào)、通風(fēng)管道等系統(tǒng)，也具有環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制功能。如果地面上的氣象條件不佳，整流罩就能為人造衛(wèi)星提供一個(gè)溫度與濕度適宜的優(yōu)良環(huán)境。

比如，建立于赤道附近的發(fā)射場(chǎng)一般陽(yáng)光充足、氣溫較高，空調(diào)可以保證被暴曬的整流罩的內(nèi)部環(huán)境幾個(gè)小時(shí)不發(fā)生明顯變化；在緯度較高的發(fā)射場(chǎng)，例如位于哈薩克斯坦境內(nèi)的拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)，冬季氣溫可達(dá)-40℃，此時(shí)整流罩內(nèi)將供暖風(fēng)，確保人造衛(wèi)星不被凍壞。當(dāng)然，常規(guī)的遮風(fēng)擋雨對(duì)整流罩來(lái)說(shuō)，就更是“小菜一碟”了。

突破大氣層的“利劍”

顧名思義，整流罩的另一功能是“整流”，即降低火箭飛行的阻力。我國(guó)新一代運(yùn)載火箭中的主力——長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭，其整流罩的造型十分優(yōu)美，賦予了長(zhǎng)征五號(hào)力量感與美感，成為長(zhǎng)征五號(hào)鮮明的特征之一。

長(zhǎng)征五號(hào)整流罩的設(shè)計(jì)采用了鼎鼎大名的馮·卡門(mén)曲線外形——馮·卡門(mén)曲線是一個(gè)流體動(dòng)力學(xué)概念，由美國(guó)著名工程力學(xué)大師、航天技術(shù)理論的開(kāi)拓者、空氣動(dòng)力學(xué)家馮·卡門(mén)發(fā)現(xiàn)并創(chuàng)立。這種設(shè)計(jì)具有顯著減小空氣阻力的作用，能讓火箭像一把利劍輕松劃破大氣層，直達(dá)太空。

航天員的“保護(hù)傘”

考慮到航天員的生命安全，載人航天對(duì)設(shè)備的安全性要求更高一些。因此，俄羅斯的聯(lián)盟號(hào)載人飛船和我國(guó)的神舟號(hào)載人飛船的火箭整流罩結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)——整流罩外添加了四面柵格翼與幾臺(tái)逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)。

在火箭起飛階段，如果遇到險(xiǎn)情，整流罩將聯(lián)合逃逸塔組成逃逸飛行器，點(diǎn)燃整流罩外的逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)，將航天員帶離火箭。同時(shí)，柵格翼也會(huì)展開(kāi)，幫助穩(wěn)定飛船的飛行姿態(tài)。在到達(dá)安全距離后，飛船的返回艙會(huì)打開(kāi)降落傘，協(xié)助航天員脫離險(xiǎn)情、安全返回。

國(guó)際上新一代載人飛船的逃逸設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔——既然載人飛船返回時(shí)還要經(jīng)受大氣層的劇烈灼燒，那發(fā)射時(shí)直接讓載人飛船暴露在外即可，不需要整流罩的包裹。于是乎，SpaceX 的載人龍飛船、我國(guó)的新一代載人飛船都采取了這樣的設(shè)計(jì)——火箭沒(méi)有整流罩，載人飛船外殼本身就是整流罩。

可回收復(fù)用的整流罩

在全球運(yùn)載火箭的主流設(shè)計(jì)里，整流罩分離后，要么在大氣中被燒毀，要么在墜入海洋時(shí)被破壞。隨著火箭回收潮流的興起，整流罩的回收復(fù)用也走上歷史舞臺(tái)。美國(guó)SpaceX 公司已經(jīng)研發(fā)出一套比較完整的整流罩回收程序，其獵鷹9 號(hào)運(yùn)載火箭已經(jīng)可以用“二手”甚至“多手”整流罩執(zhí)行任務(wù)，大大降低了任務(wù)成本。

獵鷹9 號(hào)的整流罩在分離后因稠密的大氣層減速，然后展開(kāi)降落傘進(jìn)一步減速。2017 年，SpaceX 公司嘗試將整流罩精準(zhǔn)降落在兩艘?guī)в芯薮蠡厥站W(wǎng)的船上，然而，近兩年中一次也沒(méi)有成功。直到2019 年6月，整流罩才被成功接住了一次。事實(shí)證明，降落傘過(guò)于飄忽不定，精準(zhǔn)降落在船上的難度太高了，甚至?xí)?duì)回收船本身造成重創(chuàng)，得不償失。于是，SpaceX 公司在2021 年放棄使用大網(wǎng)來(lái)回收，而是讓整流罩直接緩緩落入海中，再開(kāi)船去打撈，洗一洗繼續(xù)用。獵鷹9 號(hào)的整流罩成本約為 600 萬(wàn)美元，占獵鷹 9 號(hào)發(fā)射總成本的10%——整流罩的回收復(fù)用進(jìn)一步降低了火箭發(fā)射的成本。

我國(guó)也在進(jìn)行整流罩傘降回收的實(shí)驗(yàn)。2021 年7 月，我國(guó)成功發(fā)射長(zhǎng)征二號(hào)丙運(yùn)載火箭。與以往不同的是，這次任務(wù)的整流罩還搭載了“基于降落傘的整流罩落區(qū)控制技術(shù)”。簡(jiǎn)而言之，就是整流罩在降落時(shí)打開(kāi)降落傘，主動(dòng)降低墜落速度，控制著陸的位置。這項(xiàng)技術(shù)目前用于防止整流罩墜向人口比較稠密的地區(qū)，日后如果實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)著陸，我國(guó)也將掌握整流罩的回收及重復(fù)使用技術(shù)，讓我們拭目以待。

文章來(lái)源：《百科探秘·航空航天》

（責(zé)任編輯：嵇刊）