火箭整流罩的宝藏功能

杜骏豪

正如高速列车的车头通常被设计成子弹头的外形一样，速度更快的火箭顶部也会有一个流线型的结构，这就是整流罩。整流罩是火箭能够安全飞离地球大气层的保障。它究竟有什么宝藏功能？能不能被回收利用呢？

保护人造卫星的“金钟罩”

首先，整流罩是卫星的“金钟罩”。它的第一大功能就是在飞行过程中保护火箭运载的宝贵的人造卫星。火箭在大气层内飞行时，速度高达每秒数千米。在此过程中，会产生音爆、激波、震动等，火箭本体与空气剧烈摩擦还会产生大量热量。然而，人造卫星作为极其精密的科学设备，向来是“娇贵”的——它不能承受过高的温度与过于剧烈的震动。因此，火箭飞行时，整流罩可以将高温、高速的气流屏蔽在外，为人造卫星营造一个安全的环境，直至飞出大气层。

人造卫星的“空调房”

整流罩还像一间舒适的“空调房”。在发射之前相当长的一段时间内，人造卫星就已被包裹在整流罩内部，因为火箭在发射前，很可能长时间暴露于高温、高湿、雷电等不利的环境下。整流罩连接着空调、通风管道等系统，也具有环境监测与控制功能。如果地面上的气象条件不佳，整流罩就能为人造卫星提供一个温度与湿度适宜的优良环境。比如，建立于赤道附近的发射场一般阳光充足、气温较高，空调可以保证被暴晒的整流罩的内部环境几个小时不发生明显变化；在纬度较高的发射场，例如拜科努尔发射场，冬季气温可达零下40摄氏度，此时整流罩内将供暖风，确保人造卫星不被冻坏。当然，常规的遮风挡雨对整流罩来说，就更是“小菜一碟”了。

突破大气层的“利剑”

顾名思义，整流罩的另一功能是“整流”，即降低火箭飞行的阻力。我国新一代运载火箭中的主力——长征五号运载火箭，其整流罩的造型十分优美，赋予了长征五号力量感与美感，成为长征五号鲜明的特征之一。其设计采用了大名鼎鼎的冯？卡门曲线——这是一个流体动力学概念，由美国著名工程力学大师、航天技术理论的开拓者、空气动力学家冯？卡门发现并创立。这种设计具有显著减小空气阻力的作用，能让火箭像一把利剑轻松划破大气层，直达太空。

航天员的“保护伞”

考虑到航天员的生命安全，载人航天对设备的安全性要求更高一些。因此俄罗斯的联盟号载人飞船和中国的神舟号载人飞船的火箭整流罩的结构都进行了相关设计——整流罩外添加了四面栅格翼与几台逃逸发动机。

在火箭起飞阶段，如果遇到险情，整流罩将联合逃逸塔组成“逃逸飞行器”，点燃整流罩外的逃逸发动机，将航天员带离火箭，同时，栅格翼也会展开，帮助稳定飞船的飞行姿态。在到达安全距离后，飞船的返回艙会打开降落伞，协助航天员脱离险情、安全返回。

国际上新一代载人飞船的逃逸设计更加简洁——既然载人飞船返回时还需经受大气层的剧烈灼烧，那发射时直接让载人飞船暴露在外即可，无需整流罩的包裹。于是乎，SpaceX的载人龙飞船、中国的新一代载人飞船都采取了这样的设计——火箭没有整流罩，载人飞船外壳本身就是整流罩。

可回收复用的整流罩

在全球运载火箭的主流设计里，整流罩分离后要么在大气中被烧毁，要么在坠入海洋时被破坏。随着火箭回收潮流的兴起，整流罩的回收复用也走上历史舞台。美国SpaceX公司已经研发出一套比较完整的整流罩回收程序，其猎鹰9号运载火箭已经可以用“二手”甚至“多手”整流罩执行任务，大大降低了任务成本。

猎鹰9号的整流罩在分离后因稠密的大气层减速，然后展开降落伞进一步减速。2017年，SpaceX公司尝试将整流罩精准降落在两艘带有巨大回收网的船上，然而，近两年中一次也没有成功。直到2019年6月，整流罩才被成功接住了一次。事实证明，降落伞过于飘忽不定，精准降落在船上的难度太高了，甚至会对回收船本身造成重创，得不偿失。于是，SpaceX公司在2021年放弃使用大网来回收，而是让整流罩直接缓缓落入海中，再开船去打捞，洗一洗继续用。猎鹰9号的整流罩成本约为 600 万美元，占猎鹰 9 号发射总成本的 10%——整流罩的回收复用进一步降低了火箭发射的成本。

中国也在进行整流罩伞降回收的实验。2021年7月，我国成功发射长征二号丙运载火箭。与以往不同的是，这次任务的整流罩还搭载了“基于降落伞的整流罩落区控制技术”。简而言之，就是整流罩在降落时打开降落伞，主动降低坠落速度，控制着陆的位置。这项技术目前用于防止整流罩坠向人口比较稠密的地区，日后如果实现精准着陆，我国也将掌握整流罩的回收及重复使用技术，让我们拭目以待！