□ 土星5號(hào)

“黑店”的“空中雜技”
—— 細(xì)數(shù)空中回收的歷史

□ 土星5號(hào)

“黑店”的從良

重復(fù)使用是現(xiàn)在火箭領(lǐng)域超級(jí)熱門(mén)的一個(gè)話(huà)題，除了太空探索公司的“獵鷹”9火箭第一級(jí)反推降落的回收方式外，美國(guó)聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）在取代“宇宙神”5和“德?tīng)査? 的 “火神”火箭設(shè)計(jì)圖中，也首次引入回收概念。不過(guò)和“獵鷹”9完整回收火箭第一級(jí)不同，ULA只計(jì)劃回收火箭第一級(jí)的兩臺(tái)BE-4或AR-1引擎。有趣的是ULA的首席執(zhí)行官托里·布魯諾以“聰明回收”稱(chēng)呼“火神”的回收方式，言外之意便是“獵鷹”9的回收方式是“愚蠢回收”，頗有些對(duì)已分了ULA發(fā)射任務(wù)半壁江山的太空探索公司“宣戰(zhàn)”的味道?！盎鹕瘛被鸺厥沼?jì)劃核心在于通過(guò)重復(fù)利用占火箭第一級(jí)造價(jià)約65%的引擎來(lái)降低發(fā)射成本，一直以昂貴發(fā)射價(jià)格和幾乎完美的發(fā)射成功率自詡的ULA，突然學(xué)起以廉價(jià)著稱(chēng)的太空探索公司開(kāi)始火箭回收降價(jià)，不禁讓人覺(jué)得太空發(fā)射“黑店”也有從良的一天。

和“獵鷹”9通過(guò)引擎多次點(diǎn)火，讓一級(jí)箭體反向降落到地面或者駁船的方式不同，ULA的回收方式頗有些簡(jiǎn)單粗暴的感覺(jué)。在一級(jí)引擎熄火后，引擎模組和一級(jí)燃料罐分離(上頁(yè)圖中2)，燃料罐自由落體入海融入生態(tài)系統(tǒng)，超音速下落的引擎模組則在前端打開(kāi)充氣減速罩，從超音速減速到亞音速（上頁(yè)圖中3）。引擎模組亞音速后開(kāi)啟降落傘，回收直升機(jī)隨后在引擎掉入海洋之前掛住降落傘回收引擎（上頁(yè)圖中4）。ULA之所以選擇空中回收而不是像航天飛機(jī)的固體燃料助推火箭一樣海面回收，是因?yàn)楹凸腆w燃料火箭不同，液體燃料引擎若想復(fù)用必須保證燃料管線(xiàn)不能受海水腐蝕，因而引擎不可與海水接觸。

“火神”火箭看似在表演空中雜技的回收，其實(shí)是早已被美國(guó)軍方和美國(guó)航宇局重復(fù)使用多次的空中回收改版。某種意義上這也是托里·布魯諾自詡為“聰明回收”的自信來(lái)源，因?yàn)檫@畢竟已經(jīng)是半成熟的回收技術(shù)，不論是需要攻克的技術(shù)瓶頸還是所要冒的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，都遠(yuǎn)低于從零開(kāi)始研發(fā)回收方式的太空探索公司。

HC-130回收KH-7的膠卷膠囊

回收的航天飛機(jī)固體燃料助推火箭

C-119運(yùn)輸機(jī)在回收“科羅娜”間諜衛(wèi)星的返回膠囊（下圖為掛住膠囊降落傘的掛鉤特寫(xiě)）

為間諜衛(wèi)星而生

以空中掛取回收從太空返回的人造物體有著悠久的歷史，1960年8 月19日，一架經(jīng)過(guò)改裝的C-119運(yùn)輸機(jī)在夏威夷附近空域用裝在尾部貨艙門(mén)外的特制環(huán)形索鉤住了代號(hào)“探索-14”的返回膠囊，空中回收的歷史至此開(kāi)始。此神秘返回膠囊的載荷，是堪稱(chēng)間諜衛(wèi)星鼻祖的“科羅納”間諜衛(wèi)星的拍攝膠卷，此次任務(wù)也是人類(lèi)有史以來(lái)首次用衛(wèi)星對(duì)地面進(jìn)行拍攝。由于上世紀(jì)50至60年代攝影技術(shù)的限制，“科羅納”需要以膠卷拍攝，并在拍攝完畢后把膠卷以物理形式送回地面分析。鑒于膠卷中涉及大量蘇聯(lián)和中國(guó)的敏感設(shè)施情報(bào)，回收成了問(wèn)題，墜落地面或海面容易被民眾發(fā)現(xiàn)且撞擊會(huì)對(duì)膠卷造成損傷，刻意封鎖特定海域又容易暴露間諜衛(wèi)星的存在。美國(guó)中央情報(bào)局和美國(guó)空軍最終決定采用空中回收，保證膠片盡可能完好無(wú)損的同時(shí)做到避人耳目，悄無(wú)聲息地取回返回膠囊。

和ULA的回收方式類(lèi)似，一架10人機(jī)組的運(yùn)輸機(jī)提前飛往膠囊預(yù)計(jì)返回空域，兩名遙感操作員提前計(jì)算返回軌道并告知飛行員，隨后在大約15240米的高度上由機(jī)組人員肉眼捕獲。艙門(mén)操作員開(kāi)啟尾部艙門(mén)并釋放掛鉤，待掛住返回膠囊的降落傘后再由絞盤(pán)將整個(gè)膠囊連同降落傘一起拉入機(jī)艙。回收完畢后運(yùn)輸機(jī)立刻返回珍珠港的?？房哲娀?，早已等待多時(shí)的C-141運(yùn)輸機(jī)會(huì)將膠囊火速送往位于馬里蘭州米德堡的美國(guó)國(guó)家安全局總部進(jìn)行分析。若飛行員未能成功掛住降落傘，則可派遣船只回收或干脆棄之不管，安裝在返回膠囊底部的鹽栓會(huì)在兩天后被海水溶解，整個(gè)膠囊沉入海底后海水的腐蝕會(huì)徹底破壞膠卷。當(dāng)然放棄返回膠囊里的膠卷是下下策，為避免這種情況，回收機(jī)組每天都會(huì)訓(xùn)練空中回收空投的假目標(biāo)，以確保實(shí)際回收時(shí)能萬(wàn)無(wú)一失。

從1959年起至1972年止，“科羅納”間諜衛(wèi)星總共發(fā)射144次，其中102次回收成功，改造過(guò)的C-119和C-130運(yùn)輸機(jī)都先后參與回收。不過(guò)中央情報(bào)局對(duì)回收成功的定義是膠卷可以讀取，因而不乏有物理回收成功但膠卷?yè)p壞的案例存在。1961年專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)研發(fā)操縱間諜衛(wèi)星的美國(guó)國(guó)家偵查局（NRO）成立后，“科羅納”間諜衛(wèi)星根據(jù)拍攝技術(shù)的先進(jìn)程度被重新分類(lèi)編號(hào)為KH-1至KH-4（Key Hole），后續(xù)數(shù)字隨著拍攝技術(shù)升級(jí)而升高，日后伴隨美國(guó)國(guó)家偵察局至今的“鎖眼”系列間諜衛(wèi)星自此開(kāi)始。一直到1976年12月19日發(fā)射入軌的KH-11間諜衛(wèi)星開(kāi)始使用數(shù)字圖像傳輸為止，KH-5至KH-9系列間諜衛(wèi)星全部延續(xù)了“科羅納”的空中膠囊回收，不過(guò)鑒于未到“信息自由法案”規(guī)定的50年解密時(shí)限，后續(xù)“鎖眼”衛(wèi)星的回收情況尚不得而知。

撞毀在沙漠上的返回艙

真正的“空中特技”

天算不如人算的民間嘗試

除去間諜衛(wèi)星膠卷悠久的空中回收歷史外，美國(guó)航宇局也曾嘗試過(guò)空中回收，那便是太陽(yáng)風(fēng)粒子探測(cè)器“起源號(hào)”的樣品返回艙。2001年8月8日發(fā)射的“起源號(hào)”探測(cè)器主要目的是采集太陽(yáng)風(fēng)粒子，以便天文學(xué)家們能精確計(jì)算太陽(yáng)風(fēng)主要成分。為避免地球磁場(chǎng)對(duì)太陽(yáng)風(fēng)粒子的污染，“起源號(hào)”探測(cè)器在遠(yuǎn)離地球磁場(chǎng)的地日L1拉格朗日點(diǎn)進(jìn)行樣品采集。2004 年4月2日采集完成后，“起源號(hào)”在5月2日飛掠地球繞道地日L2拉格朗日點(diǎn)減速，以便在美國(guó)時(shí)間的白天發(fā)射樣品返回艙重返大氣層。由于擔(dān)心返回艙降落地面時(shí)的撞擊和震動(dòng)會(huì)破壞樣品儲(chǔ)存膠囊，進(jìn)而污染太陽(yáng)風(fēng)粒子，美國(guó)航宇局決定采用直升機(jī)空中回收。

計(jì)劃中“起源號(hào)”會(huì)在第二次掠過(guò)地球的時(shí)候釋放大約275千克重的樣品返回艙，回收地點(diǎn)為猶他州美國(guó)空軍“猶他測(cè)試與訓(xùn)練中心”空域。進(jìn)入地球大氣大約80秒后，返回艙在距離地面33千米時(shí)開(kāi)啟減速降落傘，隨后在距離地面6.7千米時(shí)打開(kāi)主降落傘以穩(wěn)定下降。在距離地面2.5千米時(shí)，直升機(jī)將用大約5米長(zhǎng)的鉤子鉤住主降落傘，若此高度回收失敗，第二架備用直升機(jī)將在2千米高度再次嘗試。鉤住降落傘后，直升機(jī)會(huì)將返回艙吊入地面上的密封艙，以確保全程無(wú)污染。

和“科羅納”的膠囊相比，“起源號(hào)”的返回艙速度更快且質(zhì)量更大，空中捕獲頗有些空中特技的味道。美國(guó)航宇局認(rèn)為既然是空中特技，那何不讓專(zhuān)業(yè)的來(lái)？于是他們真的去好萊塢雇傭了兩名直升機(jī)特技飛行員。為確保能順利掛住降落傘，二名飛行員已提前進(jìn)行了數(shù)次模擬，沒(méi)有一次失敗。外加上2.5千米的高度足夠兩架直升機(jī)各進(jìn)行4次嘗試，兩名飛行員和美國(guó)航宇局都對(duì)空中回收信心十足。

可惜人算不如天算，計(jì)劃永遠(yuǎn)趕不上變化。格林尼治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間2004 年9月8日16時(shí)55分，“起源號(hào)”釋放的樣品返回艙以超過(guò)每秒11.04千米的速度進(jìn)入地球大氣層，然而由于返回艙加速度測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)問(wèn)題，減速降落傘和主降落傘均沒(méi)能按原計(jì)劃開(kāi)啟。兩位飛行員什么都做不了，只能看著返回艙以86米每秒的速度撞在猶他州圖埃勒縣的沙漠上。猛烈的撞擊造成返回艙破損，樣品儲(chǔ)存膠囊破裂，好在沙子松軟的質(zhì)地緩和了部分沖擊，后續(xù)對(duì)樣品膠囊的檢查并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)外泄。

不幸中的萬(wàn)幸是污染太陽(yáng)風(fēng)粒子的僅有沙子，并沒(méi)有液態(tài)水，且太陽(yáng)風(fēng)粒子以晶片附著方式儲(chǔ)存，沙子可以物理形式與樣品分離。樣品清理工作從2004年9月21日開(kāi)始，第一塊晶片在2005年1月處理完成，“起源號(hào)”返回艙殘骸的清理則持續(xù)了4周，分析事故原因的同時(shí)妥善處理返回艙電池的有毒物質(zhì)。隨后對(duì)樣品的解析證明污染并不嚴(yán)重，可以完成“起源號(hào)”探測(cè)器計(jì)劃中的主要科研目標(biāo)，這也算沒(méi)有讓耗資2億6千萬(wàn)美金的科研項(xiàng)目打了水漂。

拯救了“起源號(hào)”的太陽(yáng)風(fēng)粒子的采集晶片，每一個(gè)六邊形晶片均由高純度的藍(lán)寶石和金剛石鑲嵌而成，在表面有硅和金涂層。

“好奇號(hào)”火星車(chē)使用的減速隔熱罩。進(jìn)入火星大氣時(shí)隔熱罩承受了超過(guò)7700攝氏度的高溫，比太陽(yáng)表面還要熱2000余度

充氣式再入測(cè)試載具（IRVE-3）

ULA真正的“空中特技”

和“科羅納”返回膠囊以及“起源號(hào)”返回艙比，ULA的引擎模組雖然體積質(zhì)量都更大，但一級(jí)火箭分離時(shí)的高度和速度都遠(yuǎn)低于重返大氣層時(shí)的高度和速度，就技術(shù)難度而言挑戰(zhàn)并不大。與其說(shuō)用直升機(jī)掛住引擎模組降落傘是“空中特技”，倒不如說(shuō)引擎模組從分離時(shí)的超音速減速到亞音速所需的充氣氣動(dòng)減速罩更有“空中特技”的味道。

充氣式氣動(dòng)減速罩最早來(lái)源于美國(guó)航宇局降落火星的減速裝置?；鹦谴髿鈮翰坏降厍蚝Ｆ矫娲髿鈮旱?%，稀薄的大氣使得降落傘的終端速度遠(yuǎn)高于安全著陸速度，飛行器因此需要額外的減速裝置。充氣式減速隔熱罩和傳統(tǒng)的硬式隔熱罩相比，有著質(zhì)量輕可折疊、儲(chǔ)存體積小的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)氣體又是絕佳的隔熱和緩沖材料。但充氣式對(duì)技術(shù)要求高，減速罩表面材料不僅要有足夠柔性以便在短時(shí)間內(nèi)完全展開(kāi)，還要足夠耐熱以抵御超音速空氣摩擦產(chǎn)生的熱量。以美國(guó)航宇局測(cè)試過(guò)的“充氣式再入測(cè)試載具”（IRVE）為例，減速充氣罩由氮?dú)獬錃猓诓坏?0秒的時(shí)間內(nèi)從直徑0.38米的包裝大小擴(kuò)張到直徑3米，充氣罩薄膜由外層鍍硅的凱夫拉合成纖維制成。測(cè)試時(shí)IRVE-3從463.5千米的高空落下后完成了從10馬赫到亞音速的減速，整個(gè)過(guò)程最大加速度為20g，所承受最高溫度超過(guò)538攝氏度。IRVE是美國(guó)航宇局“超高音速充氣氣動(dòng)減速裝置”（HIAD）項(xiàng)目的測(cè)試飛行器，目標(biāo)在于提供一種更有效更節(jié)省空間的火星降落減速方式。

對(duì)于要在地球大氣內(nèi)使用類(lèi)似裝置的ULA來(lái)說(shuō)，一級(jí)引擎模組的地球下落速度遠(yuǎn)低于從地球飛往火星的飛行器進(jìn)入火星大氣的速度，外加上超音速階段地球外層大氣較為稀薄，充氣氣動(dòng)減速罩或許不需要NASA那樣“高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)要求”，但終歸也是要攻克的技術(shù)難關(guān)。以“火神”火箭第一級(jí)5.4米的直徑為參考，引擎模組需要至少是IRVE充氣罩直徑三倍的充氣罩才能完成減速，這無(wú)疑對(duì)沒(méi)有任何充氣減速罩設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的ULA來(lái)說(shuō)是個(gè)挑戰(zhàn)。到底ULA會(huì)如何設(shè)計(jì)整個(gè)回收中最關(guān)鍵的一部分，還要看“火神”火箭后續(xù)的消息了。