杜駿豪

正如高速列車的車頭通常被設(shè)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(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?；鸺诖髿鈱觾?nèi)飛行時，速度高達(dá)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(xué)設(shè)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(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(diào)、通風(fēng)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(diào)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(dá)零下40攝氏度，此時整流罩內(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(shè)計采用了大名鼎鼎的馮？卡門曲線——這是一個流體動力學(xué)概念，由美國著名工程力學(xué)大師、航天技術(shù)理論的開拓者、空氣動力學(xué)家馮？卡門發(fā)現(xiàn)并創(chuàng)立。這種設(shè)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(dá)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(shè)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(jié)構(gòu)都進行了相關(guān)設(shè)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(dá)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(shè)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(shè)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(fù)用的整流罩

在全球運載火箭的主流設(shè)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(fù)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(wù)，大大降低了任務(wù)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(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(zhǔn)降落在船上的難度太高了，甚至?xí)厥沾旧碓斐芍貏?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(fù)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(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(shù)目前用于防止整流罩墜向人口比較稠密的地區(qū)，日后如果實現(xiàn)精準(zhǔn)著陸，我國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！