想要回家好難：說說飛行器的回收

一只大黑貓

要說人類最牛的成就之一，沖出地球遨游太空肯定排得上前幾名，但更牛的不是咱們沖得出去，而是收得回來。這技術(shù)為啥更高端，有必要搞清楚。

從“天宮一號”說起

2018年4月2日8時(shí)15分左右，中國第一座空間站“天宮—號”再入大氣層，落區(qū)位于南太平洋中部，絕大部分器件在再入過程中燒蝕銷毀，這座于2011年9月29日發(fā)射升空的空間站正式謝幕。自人類進(jìn)入宇航時(shí)代以來，相當(dāng)多航天器到達(dá)使用壽命后都這樣終結(jié)。在“天宮一號”前，報(bào)廢的蘇聯(lián)空間站“和平號”也是于2001年3月23日再入大氣層燒毀。為保障它的殘骸不落到有人區(qū)，還專門發(fā)射了一艘“進(jìn)步號”飛船補(bǔ)給燃料以調(diào)整軌道。較小的航天器，如一般衛(wèi)星，不調(diào)整也能完全燒掉，就像一場人造流星雨。如果不希望燒毀，就必須進(jìn)行專門設(shè)計(jì)和操作，并安裝防熱罩等設(shè)備，簡單地說，就是采用回收技術(shù)。

高度和垂直著陸

飛行的標(biāo)志是獲得高度，擁有高度就擁有勢能，消耗勢能獲得動(dòng)能，因此回收飛行器就是要緩慢可控地釋放這些能量。

最早的載人飛行器是氣球。1783年，蒙特哥菲爾兄弟發(fā)明的熱氣球升空。氣球只提供高度，也就是勢能，因此放氣減少浮力就能直接返回地面。直到現(xiàn)在，正常情況下載人氣球都是這樣回收的。

為了防止意外跌落或其他故障，降落傘被作為氣球的救生器材發(fā)明出來。它依靠張開傘衣增加空氣阻力來消耗勢能，減緩自高處下落的加速，實(shí)現(xiàn)“軟”著陸。目前降落傘在多種飛行器回收和救生中被廣泛采用，是應(yīng)用最廣的回收技術(shù)。

氣球不能自主飛行，添加動(dòng)力后就成為飛艇。飛艇在20世紀(jì)初廣泛用于運(yùn)輸，因?yàn)槌溲b氫氣安全性差，已基本淘汰。目前充裝氦氣，安全性較高的飛艇還有應(yīng)用。輕于空氣的飛行器體積龐大，速度很難滿足現(xiàn)代交通需要。

速度、水平著陸、飛機(jī)救生

利用機(jī)翼和空氣相互作用將部分動(dòng)能化為升力，可以構(gòu)成滑翔機(jī)和普通飛機(jī)，鳥類也是這種飛行原理。直升機(jī)的旋翼相對空氣轉(zhuǎn)動(dòng)，即使機(jī)身不前進(jìn)，也同樣可以產(chǎn)生升力。這些統(tǒng)稱為重于空氣的飛行器。這類飛行器的升力與流經(jīng)翼面的空氣速度有關(guān)，不能像氣球、飛艇那樣靜止懸浮。所以，它們的回收不能只減少升力，還要減少翼面水平運(yùn)動(dòng)速度。

直升機(jī)的兩種減速過程可通過減少旋翼轉(zhuǎn)速同步完成，所以能垂直起降。固定翼飛機(jī)需要一定長度的跑道來加減速，從而完成起降，這個(gè)過程中一般用輪子支撐。如果在冰雪地，滑橇可以代替輪子，還有些輕型飛機(jī)像鳥一樣靠駕駛員雙腳起降。飛機(jī)的這個(gè)部分統(tǒng)稱“起落架”。

因此，起落架和跑道也是—種應(yīng)用十分廣泛的飛行器回收技術(shù)。

現(xiàn)代飛機(jī)飛行高度和速度逐步增加，大型飛機(jī)重達(dá)數(shù)百噸，對跑道要求高，如果不能抵達(dá)指定機(jī)場，就很難成功著陸。因此，除了通常的起落架外，在戰(zhàn)斗機(jī)等乘員較少的飛機(jī)上還備有跳傘救生設(shè)備，必要時(shí)可彈射跳傘，犧牲飛機(jī)來保證飛行員安全。遺憾的是，由于技術(shù)要求太高，大型客機(jī)目前還不能采用這種手段。

更高、更快：火箭和飛船回收

1957年，人類發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星。從那時(shí)起，針對偵察和載人飛行等需要，人們開始研究火箭和飛船的回收技術(shù)。這一技術(shù)包括兩方面：首先，是減速脫離環(huán)繞軌道，再入大氣層，由于和越來越稠密的空氣劇烈摩擦，在減速同時(shí)會(huì)放出大量熱，必須安裝防熱罩并把再入部分設(shè)計(jì)成合適形狀。之后，要進(jìn)一步減速并吸收由高空下落轉(zhuǎn)化的機(jī)械能，可以采用降落傘或滑翔等手段，甚至安裝航空發(fā)動(dòng)機(jī)，像普通飛機(jī)一樣飛行。

因此，航天器回收綜合了現(xiàn)有多種飛行器回收技術(shù)，成本和技術(shù)水平很高。大型空間站因?yàn)轶w積重量太大，通常不進(jìn)行整體回收。

最早的可回收航天器是返回式衛(wèi)星和載人飛船，二者技術(shù)基本相同，主要采用鈍頭拋物線形外殼加表面燒蝕防熱罩，最終降落傘減速。為了進(jìn)一步減少降落速度，一些飛船在返回艙安裝減速火箭，接近地面時(shí)點(diǎn)火緩沖。

稍后，美蘇相繼開發(fā)了水平著陸的可回收航天器，即航天飛機(jī)。航天飛機(jī)外形類型固定翼飛機(jī)，表面覆蓋防熱瓦，再入大氣層減速后利用機(jī)翼滑翔，在機(jī)場降落。美國航天飛機(jī)的火箭助推器也可回收，它的前錐段里有降落傘，燃燒完后與主體分離，降落在海上，打撈修理后可重復(fù)利用。但美國航天飛機(jī)的燃料箱只能一次性使用，所以是部分可回收，蘇聯(lián)航天飛機(jī)也是靠不可回收的火箭發(fā)射。

進(jìn)入新世紀(jì)后，一種完全可回收火箭，“獵鷹9號”（Falcon 9）被開發(fā)出來。它的一級火箭采用垂直降落回收。為保證火箭“站”到回收區(qū)，對著陸支架、姿態(tài)控制和發(fā)動(dòng)機(jī)有很高要求，通過3次點(diǎn)火，可把下落速度由每秒1300米減速到每秒2米。這是飛行器回收技術(shù)的一大突破。