火箭整流罩回收成功：600万美金从天而降

2019-08-23土星5号

太空探索 2019年8期

文/土星5号

和一年半前全世界瞩目乃至登上美国各大媒体头条的“猎鹰重型”首射不同，这款现役运力最强的火箭的第三次发射STP-2，正如其凌晨的发射时间一样，在大众的沉睡下悄然溜入夜空当中。可能除了意料之中的，堪称芯级回收诅咒的又一次回收失败外，不会有人注意到本次发射还创造了一个太空探索技术公司乃至航天史上的第一：火箭整流罩回收成功。

如果说这个“第一”没有实质感觉的话，或许另一组数据更有说服力。为了这一刻，太空探索技术公司花费了一年半的时间，更换了3组机械臂、4种网，就连“斯蒂文森先生号”都变了性别，成了“特里女士号”，还有无数次模型落体测试和5次失败的实际尝试，终于抓到了这个14米长、直径5.2米的整流罩。至于为啥要费尽心机回收火箭这看似最不需要回收的部分，答案其实很简单，为了保护载荷的整流罩采用的是非常昂贵的铝锂合金建造，外加上传感器分离装置等一系列电子设备，这两个整流罩也是造价不菲。正如马斯克所说，600万美金从天而降岂有不要之理？

▲“猎鹰重型”夜间发射STP-2

▲有多少伙伴们看到了1小时14分钟后？

▲整流罩不高兴了要游回去……

滑翔伞和航天的缘份

不过和猎鹰9火箭第一级非常科幻反向推进垂直降落的方式不同，整流罩的回收就显得普通许多：通过冷氮气喷射调整姿态再通过滑翔伞缓慢降落。不过正如太空探索技术公司所使用的几乎全部技术一样，滑翔伞太空返回技术和美国宇航局X-38的技术也有很深的缘分。

1964年加拿大风筝设计师多米尼克·贾伯特首次发明了滑翔伞，和圆形的传统降落伞不同，矩形的滑翔伞内部有多个气囊。当矩形伞翼由于下落的惯性而被风吹起时，空气被挤压“冲进”气囊使其鼓起来产生升力，展开的伞就像机翼一样滑翔，通过调整伞两翼末端角度产生扭力来控制飞行方向。凭借着可控性和飞行距离的优势，滑翔伞很快便打入了民用和军用市场。

1993年美国空军和陆军一同开始研发“联合精确空投系统”，并在2006年正式投入使用，开启了全自动制导滑翔伞的先河。这种系统就是在空投货物上安装GPS引导控制的滑翔伞，通过阻力绳调整伞翼两侧空气阻力，以此来引导滑翔方向，最终将货物降落在大约半径75米的圆形降落区内。滑翔伞的滑翔距离还让飞机得以在7公里的高空，理论距离投送点最远25公里的地方，一次性完成所有货物的精确投送，大幅度地减少了被敌方攻击的可能性。联合精确空投系统最大款的伞翼面积为325平方米，有着高于3的滑翔比，最多可一次性投送4.5吨的货物。

▲滑翔伞的专利，可以看到伞翼下明显的气囊设计

▲整个系统真就这么大

滑翔伞在航天上的应用

美国军方想着用滑翔伞完成无人货物精准空投，美国宇航局却打算用滑翔伞做更复杂的载人任务，代号X-38的载入太空载具研发测试项目在1995年正式启动。当时正值国际空间站的计划建造阶段，由于空间站的常驻人员严格受到逃生飞船的限制，联盟载人飞船一次最多只能乘坐3人，俄罗斯舱段仅能同时对接两艘，也就是国际空间站在不和航天飞机轨道器对接的情况下最多只能驻留6人，而轨道器由于自身燃料电池的限制又无法长时间对接空间站，为此美国宇航局想研发一款能同时携带7人的逃生载具常驻国际空间站。鉴于当时传统设计飞船空间的限制和航天飞机的成功，逃生载具自然毫无悬念地采用类似轨道器的升力体“滑翔机”式设计。

▲打开后的滑翔伞

▲逃生载具设想

▲X-38内部成员布置

不过这就产生了一个问题，那便是之前提到的滑翔比。滑翔比是滑翔时水平速度除以垂直速度，但由于从太空再入降落要经过一系列的大气密度，同样的造型同样的气动设计在不同阶段滑翔比大不相同。举例而言，轨道器在上层大气再入时的滑翔比只有1，但亚音速降落前的滑翔比则为4.5。由于作为逃生载具的X-38没有货舱，其体积和质量都远小于轨道器，若以同样的滑翔比降落会造成上层大气再入时滑翔比过高，会如打水漂一样被弹出大气层。若缩短翼展满足再入要求，则会造成在低层大气中垂直速度过快不能安全降落，且更短的翼展意味着更短的力矩，不利于调整和控制X-38滑翔时的横滚。既然无法取舍那就让X-38在中低层大气时“增加”翼展不就行了？美国宇航局的工程师们一拍脑袋望向了隔壁的“联合精确空投系统”。

X-38的造型设计参考了美国空军1960年代的测试机X-24，采用无机翼的完全升力体，不同的是进入中低层大气后X-38顶部会打开一个滑翔伞提供升力引导降落。为避免滑翔伞打开时的气动应力过大破坏伞体和机身的连接，以及避免航天员承受过快的减速，X-38会先打开一个小的减速伞稳定飞船，而后在24秒内分5个阶段打开主滑翔伞。和航天飞机轨道器不同，作为逃生飞船的X-38全部降落程序无需任何手动操作，必要时任务控制中心可远程操作降落，航天员亦可手动接管。X-38预计长9.1米，全重10.66吨，可放置在航天飞机轨道器货舱内发射入轨，飞船内部电池足够生命维持装置运转9小时，座舱内还配备了7套高空跳伞服作为航天员最后的逃生手段。

▲滑翔伞为X-38提供升力，引导降落

▲由B-52负责投放的落体测试

▲X-38降落

X-38总共造了4架测试机，最后一架编号为V-201是90%比例测试机并曾计划在2003年由航天飞机发射入轨测试。X-38总共进行了超过350次落体测试，其中有13次使用的滑翔伞面积达700平方米，足以让11吨重的测试载具以每秒不到6米的垂直速度降落，虽然这大约是现代客机降落垂直速度的两倍，但对于航天员来说是绝对安全的速度。

可惜2001年国际空间站的研发和建造严重超支，许多“非核心”项目被取消，导致已经90%研发完毕的X-38未能完成临门一脚。尽管如此，耗时7年的X-38还是证明了全自动引导滑翔伞在太空飞船上的可行性，更解决了诸如展开大型滑翔伞，减小伞对飞船的应力和精确引导滑翔等技术问题。

整流罩的各种改进

或许正是X-38给了太空探索技术公司滑翔伞回收整流罩的基础技术和信心，从2018年11月公布的“龙”飞船发射终止测试环境评估报告中可以看到，太空探索技术公司两款滑翔伞皆由尼龙材料制造并用凯夫拉纤维绳和整流罩连接，此种纤维的极限拉伸强度是同质量下钢铁的5倍，且和金属不同，耐海水腐蚀。伞翼面积更大的滑翔伞，估计对应的是从2018年2月“猎鹰9”发射开始使用的新型整流罩。这也从一个侧面证明，改进后的版本针对回收强化后的整流罩在质量上是大于原版。

和“猎鹰9”的第一级火箭类似，整流罩在100公里左右高空分离后通过冷氮气喷射调整姿态，以半弧形朝下的姿势坠入底层大气。而后在大约15公里的高空，一个小型减速伞提前打开稳定整流罩下落，略高于X-38减速伞的高度，随后伞翼面积约280平方米的主滑翔伞在降落伞的拉动下展开，完全展开后减速伞被切断抛弃。理论上讲，速度足够缓慢无伤落入水中的整流罩，可以由船只捞起复用，但为了避免整流罩开启装置被海水腐蚀导致无法工作，太空探索技术公司还是尽可能避免其和海水接触。外观奇葩的大型捕捉网船“斯蒂文森先生号”因此诞生，在整流罩落入大海之前将其“接住”。

正如前文所说，太空探索技术公司需要的不是研发新的技术，而是完善改进现有的技术，而这又恰好是它最擅长办的事情。从100公里到15公里时整流罩的姿态调整，整流罩形状对滑翔伞产生的气动影响，乃至GPS滑翔伞为了能和捕捉船会合的引导算法，无一不需要无数次的尝试来完善。当然对于一年21次发射且研发部门在生产部门隔壁的太空探索技术公司来说，统筹数据改进软件设计等简直易如反掌，剩下的便是无数次通过测试来完善优化整套系统所需的一系列参数，然后找一个老司机开船来追上整流罩了。如果觉得这个步骤听上去怎么那么熟悉，那是因为这就是太空探索技术公司完成第一级火箭陆地和海上回收技术研发的步骤，就整流罩而言其技术甚至还更简单了一些。从某种意义上讲，接住这从天而降的600万美金，是太空探索技术公司一系列刷新航天界的技术应用当中，最不意外的意外成就了。