【原创文章】从天而降的六百万美金——浅谈整流罩伞降回收的前生今世

从天而降的六百万美金——浅谈整流罩伞降回收的前生今世
作者说

一年半前全世界瞩目乃至都上了美国各大媒体头条的重型猎鹰首射,第三次STP-2正如其凌晨的发射时间一样,在大众沉睡下悄然溜入夜空当中。可能除了堪称芯级回收诅咒的又双叒回收失败外,很多人都忽视了本次发射还创造了一个SpaceX乃至航天史上的第一:火箭整流罩回收成功。

本文作者:Saturn V

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有多少伙伴们看到了1小时14分钟后?

捕捉瞬间的直播片段,发射全程在文末,请耐心看完!

如果说这个“第一”没有感觉的话,或许另一组数据更有说服力。为了这一刻,SpaceX花费了一年半,更换了3组机械臂4种网连“斯蒂文森先生号”都变了个性成了“树女士号”,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,正如马斯克所说,六百万美金从天而降岂有不回收之理?

当年整流罩捕捉测试集锦,足见成功不易

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落海的整流罩不高兴了要游回去。

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SpaceX所使用的几乎全部技术一样,滑翔伞太空返回技术也有着一段不为人知的历史。1964年加拿大风筝设计师Domina Jalbert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,空气会“冲进”气囊鼓起来提供升力,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大量民用和军用市场。

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滑翔伞的专利,可以看到伞翼下明显的气囊设计

1993年美国空军和陆军一同开始研发“联合精确空投系统”(Joint Precision Airdrop System),并在2006年正式投入使用,开启了全自动制导滑翔伞的先河。JPADS在空投货物上安装了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,最终将货物降落在半径75米的圆形降落区内。滑翔伞的滑翔距离还让飞机可以在7千米的高空,理论距离投送点最远25千米的地方一次性完成所有货物的精确投送,大幅度减少了被敌方攻击的可能性。JPADS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。

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整个系统真就这么大。

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美国军方想着用滑翔伞完成无人货物精准空投,NASA却打算用滑翔伞做更复杂的载人任务,代号X-38的载入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载具的限制,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NASA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的采用类似轨道器的升力体“滑翔机“式设计。

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逃生载具设想

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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,同样的气动设计在不同阶段滑翔比也大不相同。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,则会造成降落时垂直速度过快,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。既然如此那就让X-38在中低层大气时“增加“翼展不就行了?NASA的工程师们一拍脑袋望向了隔壁的JPADS。

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X-38的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储藏在X-38顶部的滑翔伞打开部署,提供升力的同时引导降落。为避免滑翔伞打开时的气动应力过大破坏伞体,以及避免宇航员承受过快的减速,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,宇航员亦可手动接管。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套高空跳伞服作为宇航员最后的逃生手段。

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由B-52负责投放的落体测试

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高达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,大约是现代客机降落垂直速度的两倍。

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X-38降落

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未能完成那临门一脚。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。

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或许正是X-38给了SpaceX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,SpaceX两款滑翔伞皆由尼龙材料建造并用凯夫拉纤维绳和整流罩连接,估计对应的从18年2月PAZ发射开始使用的新型整流罩,也从一个侧面证明v2版整流罩针对回收强化后在质量上是大于原版。

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旧版(左)和新版(右)的大小区别

类似于X-38的伞降六成,在整流罩滑翔伞打开前,一个小型减速伞会在在距离地面约15千米时打开稳定整流罩的下落,略高于X-38减速伞的高度,主滑翔伞打开完毕后减速伞被切断抛弃。理论上讲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,SpaceX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。

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当然现在应该叫树女士号了

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这就是没有老司机加持的结果!

正如前文所说,SpaceX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SpaceX最擅长办的事情。猎鹰9的整流罩分离高度在100千米以上,重型猎鹰的更高,从100千米到15千米时整流罩的姿态调整便尤为重要。当然对于一年21次发射且研发部门在生产部门隔壁的SpaceX来说,统筹数据改进软件参数设计等简直易如反掌,剩下的便是无数次的去完善滑翔伞GPS数据,然后找一个老司机开船来追上整流罩了。某种意义上讲,接住这从天而降的六百万美金,是SpaceX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。

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不过落水后又被捞起的整流罩并非完全无用,马斯克说这些落水整流罩会被用来发射SpaceX自家的星链卫星,已在不让第三方客户担心下再次利用这六百万美金。

发射全程回放,长达三个半小时

(全文完)


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