火箭整流罩回收成功：600萬美金從天而降

文/土星5號(hào)

和一年半前全世界矚目乃至登上美國各大媒體頭條的“獵鷹重型”首射不同，這款現(xiàn)役運(yùn)力最強(qiáng)的火箭的第三次發(fā)射STP-2，正如其凌晨的發(fā)射時(shí)間一樣，在大眾的沉睡下悄然溜入夜空當(dāng)中。可能除了意料之中的，堪稱芯級(jí)回收詛咒的又一次回收失敗外，不會(huì)有人注意到本次發(fā)射還創(chuàng)造了一個(gè)太空探索技術(shù)公司乃至航天史上的第一：火箭整流罩回收成功。

如果說這個(gè)“第一”沒有實(shí)質(zhì)感覺的話，或許另一組數(shù)據(jù)更有說服力。為了這一刻，太空探索技術(shù)公司花費(fèi)了一年半的時(shí)間，更換了3組機(jī)械臂、4種網(wǎng)，就連“斯蒂文森先生號(hào)”都變了性別，成了“特里女士號(hào)”，還有無數(shù)次模型落體測試和5次失敗的實(shí)際嘗試，終于抓到了這個(gè)14米長、直徑5.2米的整流罩。至于為啥要費(fèi)盡心機(jī)回收火箭這看似最不需要回收的部分，答案其實(shí)很簡單，為了保護(hù)載荷的整流罩采用的是非常昂貴的鋁鋰合金建造，外加上傳感器分離裝置等一系列電子設(shè)備，這兩個(gè)整流罩也是造價(jià)不菲。正如馬斯克所說，600萬美金從天而降豈有不要之理？

▲“獵鷹重型”夜間發(fā)射STP-2

▲有多少伙伴們看到了1小時(shí)14分鐘后？

▲整流罩不高興了要游回去……

滑翔傘和航天的緣份

不過和獵鷹9火箭第一級(jí)非常科幻反向推進(jìn)垂直降落的方式不同，整流罩的回收就顯得普通許多：通過冷氮?dú)鈬娚湔{(diào)整姿態(tài)再通過滑翔傘緩慢降落。不過正如太空探索技術(shù)公司所使用的幾乎全部技術(shù)一樣，滑翔傘太空返回技術(shù)和美國宇航局X-38的技術(shù)也有很深的緣分。

1964年加拿大風(fēng)箏設(shè)計(jì)師多米尼克·賈伯特首次發(fā)明了滑翔傘，和圓形的傳統(tǒng)降落傘不同，矩形的滑翔傘內(nèi)部有多個(gè)氣囊。當(dāng)矩形傘翼由于下落的慣性而被風(fēng)吹起時(shí)，空氣被擠壓“沖進(jìn)”氣囊使其鼓起來產(chǎn)生升力，展開的傘就像機(jī)翼一樣滑翔，通過調(diào)整傘兩翼末端角度產(chǎn)生扭力來控制飛行方向。憑借著可控性和飛行距離的優(yōu)勢，滑翔傘很快便打入了民用和軍用市場。

1993年美國空軍和陸軍一同開始研發(fā)“聯(lián)合精確空投系統(tǒng)”，并在2006年正式投入使用，開啟了全自動(dòng)制導(dǎo)滑翔傘的先河。這種系統(tǒng)就是在空投貨物上安裝GPS引導(dǎo)控制的滑翔傘，通過阻力繩調(diào)整傘翼兩側(cè)空氣阻力，以此來引導(dǎo)滑翔方向，最終將貨物降落在大約半徑75米的圓形降落區(qū)內(nèi)?；鑲愕幕杈嚯x還讓飛機(jī)得以在7公里的高空，理論距離投送點(diǎn)最遠(yuǎn)25公里的地方，一次性完成所有貨物的精確投送，大幅度地減少了被敵方攻擊的可能性。聯(lián)合精確空投系統(tǒng)最大款的傘翼面積為325平方米，有著高于3的滑翔比，最多可一次性投送4.5噸的貨物。

▲滑翔傘的專利，可以看到傘翼下明顯的氣囊設(shè)計(jì)

▲整個(gè)系統(tǒng)真就這么大

滑翔傘在航天上的應(yīng)用

美國軍方想著用滑翔傘完成無人貨物精準(zhǔn)空投，美國宇航局卻打算用滑翔傘做更復(fù)雜的載人任務(wù)，代號(hào)X-38的載入太空載具研發(fā)測試項(xiàng)目在1995年正式啟動(dòng)。當(dāng)時(shí)正值國際空間站的計(jì)劃建造階段，由于空間站的常駐人員嚴(yán)格受到逃生飛船的限制，聯(lián)盟載人飛船一次最多只能乘坐3人，俄羅斯艙段僅能同時(shí)對(duì)接兩艘，也就是國際空間站在不和航天飛機(jī)軌道器對(duì)接的情況下最多只能駐留6人，而軌道器由于自身燃料電池的限制又無法長時(shí)間對(duì)接空間站，為此美國宇航局想研發(fā)一款能同時(shí)攜帶7人的逃生載具常駐國際空間站。鑒于當(dāng)時(shí)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)飛船空間的限制和航天飛機(jī)的成功，逃生載具自然毫無懸念地采用類似軌道器的升力體“滑翔機(jī)”式設(shè)計(jì)。

▲打開后的滑翔傘

▲逃生載具設(shè)想

▲X-38內(nèi)部成員布置

不過這就產(chǎn)生了一個(gè)問題，那便是之前提到的滑翔比?；璞仁腔钑r(shí)水平速度除以垂直速度，但由于從太空再入降落要經(jīng)過一系列的大氣密度，同樣的造型同樣的氣動(dòng)設(shè)計(jì)在不同階段滑翔比大不相同。舉例而言，軌道器在上層大氣再入時(shí)的滑翔比只有1，但亞音速降落前的滑翔比則為4.5。由于作為逃生載具的X-38沒有貨艙，其體積和質(zhì)量都遠(yuǎn)小于軌道器，若以同樣的滑翔比降落會(huì)造成上層大氣再入時(shí)滑翔比過高，會(huì)如打水漂一樣被彈出大氣層。若縮短翼展?jié)M足再入要求，則會(huì)造成在低層大氣中垂直速度過快不能安全降落，且更短的翼展意味著更短的力矩，不利于調(diào)整和控制X-38滑翔時(shí)的橫滾。既然無法取舍那就讓X-38在中低層大氣時(shí)“增加”翼展不就行了？美國宇航局的工程師們一拍腦袋望向了隔壁的“聯(lián)合精確空投系統(tǒng)”。

X-38的造型設(shè)計(jì)參考了美國空軍1960年代的測試機(jī)X-24，采用無機(jī)翼的完全升力體，不同的是進(jìn)入中低層大氣后X-38頂部會(huì)打開一個(gè)滑翔傘提供升力引導(dǎo)降落。為避免滑翔傘打開時(shí)的氣動(dòng)應(yīng)力過大破壞傘體和機(jī)身的連接，以及避免航天員承受過快的減速，X-38會(huì)先打開一個(gè)小的減速傘穩(wěn)定飛船，而后在24秒內(nèi)分5個(gè)階段打開主滑翔傘。和航天飛機(jī)軌道器不同，作為逃生飛船的X-38全部降落程序無需任何手動(dòng)操作，必要時(shí)任務(wù)控制中心可遠(yuǎn)程操作降落，航天員亦可手動(dòng)接管。X-38預(yù)計(jì)長9.1米，全重10.66噸，可放置在航天飛機(jī)軌道器貨艙內(nèi)發(fā)射入軌，飛船內(nèi)部電池足夠生命維持裝置運(yùn)轉(zhuǎn)9小時(shí)，座艙內(nèi)還配備了7套高空跳傘服作為航天員最后的逃生手段。

▲滑翔傘為X-38提供升力，引導(dǎo)降落

▲由B-52負(fù)責(zé)投放的落體測試

▲X-38降落

X-38總共造了4架測試機(jī)，最后一架編號(hào)為V-201是90%比例測試機(jī)并曾計(jì)劃在2003年由航天飛機(jī)發(fā)射入軌測試。X-38總共進(jìn)行了超過350次落體測試，其中有13次使用的滑翔傘面積達(dá)700平方米，足以讓11噸重的測試載具以每秒不到6米的垂直速度降落，雖然這大約是現(xiàn)代客機(jī)降落垂直速度的兩倍，但對(duì)于航天員來說是絕對(duì)安全的速度。

可惜2001年國際空間站的研發(fā)和建造嚴(yán)重超支，許多“非核心”項(xiàng)目被取消，導(dǎo)致已經(jīng)90%研發(fā)完畢的X-38未能完成臨門一腳。盡管如此，耗時(shí)7年的X-38還是證明了全自動(dòng)引導(dǎo)滑翔傘在太空飛船上的可行性，更解決了諸如展開大型滑翔傘，減小傘對(duì)飛船的應(yīng)力和精確引導(dǎo)滑翔等技術(shù)問題。

整流罩的各種改進(jìn)

或許正是X-38給了太空探索技術(shù)公司滑翔傘回收整流罩的基礎(chǔ)技術(shù)和信心，從2018年11月公布的“龍”飛船發(fā)射終止測試環(huán)境評(píng)估報(bào)告中可以看到，太空探索技術(shù)公司兩款滑翔傘皆由尼龍材料制造并用凱夫拉纖維繩和整流罩連接，此種纖維的極限拉伸強(qiáng)度是同質(zhì)量下鋼鐵的5倍，且和金屬不同，耐海水腐蝕。傘翼面積更大的滑翔傘，估計(jì)對(duì)應(yīng)的是從2018年2月“獵鷹9”發(fā)射開始使用的新型整流罩。這也從一個(gè)側(cè)面證明，改進(jìn)后的版本針對(duì)回收強(qiáng)化后的整流罩在質(zhì)量上是大于原版。

和“獵鷹9”的第一級(jí)火箭類似，整流罩在100公里左右高空分離后通過冷氮?dú)鈬娚湔{(diào)整姿態(tài)，以半弧形朝下的姿勢墜入底層大氣。而后在大約15公里的高空，一個(gè)小型減速傘提前打開穩(wěn)定整流罩下落，略高于X-38減速傘的高度，隨后傘翼面積約280平方米的主滑翔傘在降落傘的拉動(dòng)下展開，完全展開后減速傘被切斷拋棄。理論上講，速度足夠緩慢無傷落入水中的整流罩，可以由船只撈起復(fù)用，但為了避免整流罩開啟裝置被海水腐蝕導(dǎo)致無法工作，太空探索技術(shù)公司還是盡可能避免其和海水接觸。外觀奇葩的大型捕捉網(wǎng)船“斯蒂文森先生號(hào)”因此誕生，在整流罩落入大海之前將其“接住”。

正如前文所說，太空探索技術(shù)公司需要的不是研發(fā)新的技術(shù)，而是完善改進(jìn)現(xiàn)有的技術(shù)，而這又恰好是它最擅長辦的事情。從100公里到15公里時(shí)整流罩的姿態(tài)調(diào)整，整流罩形狀對(duì)滑翔傘產(chǎn)生的氣動(dòng)影響，乃至GPS滑翔傘為了能和捕捉船會(huì)合的引導(dǎo)算法，無一不需要無數(shù)次的嘗試來完善。當(dāng)然對(duì)于一年21次發(fā)射且研發(fā)部門在生產(chǎn)部門隔壁的太空探索技術(shù)公司來說，統(tǒng)籌數(shù)據(jù)改進(jìn)軟件設(shè)計(jì)等簡直易如反掌，剩下的便是無數(shù)次通過測試來完善優(yōu)化整套系統(tǒng)所需的一系列參數(shù)，然后找一個(gè)老司機(jī)開船來追上整流罩了。如果覺得這個(gè)步驟聽上去怎么那么熟悉，那是因?yàn)檫@就是太空探索技術(shù)公司完成第一級(jí)火箭陸地和海上回收技術(shù)研發(fā)的步驟，就整流罩而言其技術(shù)甚至還更簡單了一些。從某種意義上講，接住這從天而降的600萬美金，是太空探索技術(shù)公司一系列刷新航天界的技術(shù)應(yīng)用當(dāng)中，最不意外的意外成就了。

▲舊版（左）和新版（右）預(yù)估的大小區(qū)別

▲又沒接到

▲落入海中的整流罩

不過，落水后又被撈起的整流罩并非完全無用，馬斯克說這些落水整流罩會(huì)被用來發(fā)射太空探索技術(shù)公司自家的星鏈衛(wèi)星，不讓第三方客戶擔(dān)心再次利用這600萬美金……