火箭整流罩的寶藏功能

杜駿豪

正如高速列車的車頭通常被設計成子彈頭的外形一樣，速度更快的火箭頂部也會有一個流線型的結構，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？

保護人造衛(wèi)星的“金鐘罩”

首先，整流罩是衛(wèi)星的“金鐘罩”。它的第一大功能就是在飛行過程中保護火箭運載的寶貴的人造衛(wèi)星。火箭在大氣層內(nèi)飛行時，速度高達每秒數(shù)千米。在此過程中，會產(chǎn)生音爆、激波、震動等，火箭本體與空氣劇烈摩擦還會產(chǎn)生大量熱量。然而，人造衛(wèi)星作為極其精密的科學設備，向來是“嬌貴”的——它不能承受過高的溫度與過于劇烈的震動。因此，火箭飛行時，整流罩可以將高溫、高速的氣流屏蔽在外，為人造衛(wèi)星營造一個安全的環(huán)境，直至飛出大氣層。

人造衛(wèi)星的“空調房”

整流罩還像一間舒適的“空調房”。在發(fā)射之前相當長的一段時間內(nèi)，人造衛(wèi)星就已被包裹在整流罩內(nèi)部，因為火箭在發(fā)射前，很可能長時間暴露于高溫、高濕、雷電等不利的環(huán)境下。整流罩連接著空調、通風管道等系統(tǒng)，也具有環(huán)境監(jiān)測與控制功能。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)射場一般陽光充足、氣溫較高，空調可以保證被暴曬的整流罩的內(nèi)部環(huán)境幾個小時不發(fā)生明顯變化；在緯度較高的發(fā)射場，例如拜科努爾發(fā)射場，冬季氣溫可達零下40攝氏度，此時整流罩內(nèi)將供暖風，確保人造衛(wèi)星不被凍壞。當然，常規(guī)的遮風擋雨對整流罩來說，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。我國新一代運載火箭中的主力——長征五號運載火箭，其整流罩的造型十分優(yōu)美，賦予了長征五號力量感與美感，成為長征五號鮮明的特征之一。其設計采用了大名鼎鼎的馮？卡門曲線——這是一個流體動力學概念，由美國著名工程力學大師、航天技術理論的開拓者、空氣動力學家馮？卡門發(fā)現(xiàn)并創(chuàng)立。這種設計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，直達太空。

航天員的“保護傘”

考慮到航天員的生命安全，載人航天對設備的安全性要求更高一些。因此俄羅斯的聯(lián)盟號載人飛船和中國的神舟號載人飛船的火箭整流罩的結構都進行了相關設計——整流罩外添加了四面柵格翼與幾臺逃逸發(fā)動機。

在火箭起飛階段，如果遇到險情，整流罩將聯(lián)合逃逸塔組成“逃逸飛行器”，點燃整流罩外的逃逸發(fā)動機，將航天員帶離火箭，同時，柵格翼也會展開，幫助穩(wěn)定飛船的飛行姿態(tài)。在到達安全距離后，飛船的返回艙會打開降落傘，協(xié)助航天員脫離險情、安全返回。

國際上新一代載人飛船的逃逸設計更加簡潔——既然載人飛船返回時還需經(jīng)受大氣層的劇烈灼燒，那發(fā)射時直接讓載人飛船暴露在外即可，無需整流罩的包裹。于是乎，SpaceX的載人龍飛船、中國的新一代載人飛船都采取了這樣的設計——火箭沒有整流罩，載人飛船外殼本身就是整流罩。

可回收復用的整流罩

在全球運載火箭的主流設計里，整流罩分離后要么在大氣中被燒毀，要么在墜入海洋時被破壞。隨著火箭回收潮流的興起，整流罩的回收復用也走上歷史舞臺。美國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號運載火箭已經(jīng)可以用“二手”甚至“多手”整流罩執(zhí)行任務，大大降低了任務成本。

獵鷹9號的整流罩在分離后因稠密的大氣層減速，然后展開降落傘進一步減速。2017年，SpaceX公司嘗試將整流罩精準降落在兩艘?guī)в芯薮蠡厥站W(wǎng)的船上，然而，近兩年中一次也沒有成功。直到2019年6月，整流罩才被成功接住了一次。事實證明，降落傘過于飄忽不定，精準降落在船上的難度太高了，甚至會對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)來回收，而是讓整流罩直接緩緩落入海中，再開船去打撈，洗一洗繼續(xù)用。獵鷹9號的整流罩成本約為 600 萬美元，占獵鷹 9 號發(fā)射總成本的 10%——整流罩的回收復用進一步降低了火箭發(fā)射的成本。

中國也在進行整流罩傘降回收的實驗。2021年7月，我國成功發(fā)射長征二號丙運載火箭。與以往不同的是，這次任務的整流罩還搭載了“基于降落傘的整流罩落區(qū)控制技術”。簡而言之，就是整流罩在降落時打開降落傘，主動降低墜落速度，控制著陸的位置。這項技術目前用于防止整流罩墜向人口比較稠密的地區(qū)，日后如果實現(xiàn)精準著陸，我國也將掌握整流罩的回收及重復使用技術，讓我們拭目以待！