想要回家好难:说说飞行器的回收

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  要说人类最牛的成就之一,冲出地球遨游太空肯定排得上前几名,但更牛的不是咱们冲得出去,而是收得回来。这技术为啥更高端,有必要搞清楚。
  从“天宫一号”说起
  2018年4月2日8时15分左右,中国第一座空间站“天宫—号”再入大气层,落区位于南太平洋中部,绝大部分器件在再入过程中烧蚀销毁,这座于2011年9月29日发射升空的空间站正式谢幕。自人类进入宇航时代以来,相当多航天器到达使用寿命后都这样终结。在“天宫一号”前,报废的苏联空间站“和平号”也是于2001年3月23日再入大气层烧毁。为保障它的残骸不落到有人区,还专门发射了一艘“进步号”飞船补给燃料以调整轨道。较小的航天器,如一般卫星,不调整也能完全烧掉,就像一场人造流星雨。如果不希望烧毁,就必须进行专门设计和操作,并安装防热罩等设备,简单地说,就是采用回收技术。
  高度和垂直着陆
  飞行的标志是获得高度,拥有高度就拥有势能,消耗势能获得动能,因此回收飞行器就是要缓慢可控地释放这些能量。
  最早的载人飞行器是气球。1783年,蒙特哥菲尔兄弟发明的热气球升空。气球只提供高度,也就是势能,因此放气减少浮力就能直接返回地面。直到现在,正常情况下载人气球都是这样回收的。
  为了防止意外跌落或其他故障,降落伞被作为气球的救生器材发明出来。它依靠张开伞衣增加空气阻力来消耗势能,减缓自高处下落的加速,实现“软”着陆。目前降落伞在多种飞行器回收和救生中被广泛采用,是应用最广的回收技术。
  气球不能自主飞行,添加动力后就成为飞艇。飞艇在20世纪初广泛用于运输,因为充装氢气安全性差,已基本淘汰。目前充装氦气,安全性较高的飞艇还有应用。轻于空气的飞行器体积庞大,速度很难满足现代交通需要。
  速度、水平着陆、飞机救生
  利用机翼和空气相互作用将部分动能化为升力,可以构成滑翔机和普通飞机,鸟类也是这种飞行原理。直升机的旋翼相对空气转动,即使机身不前进,也同样可以产生升力。这些统称为重于空气的飞行器。这类飞行器的升力与流经翼面的空气速度有关,不能像气球、飞艇那样静止悬浮。所以,它们的回收不能只减少升力,还要减少翼面水平运动速度。
  直升机的两种减速过程可通过减少旋翼转速同步完成,所以能垂直起降。固定翼飞机需要一定长度的跑道来加减速,从而完成起降,这个过程中一般用轮子支撑。如果在冰雪地,滑橇可以代替轮子,还有些轻型飞机像鸟一样靠驾驶员双脚起降。飞机的这个部分统称“起落架”。
  因此,起落架和跑道也是—种应用十分廣泛的飞行器回收技术。
  现代飞机飞行高度和速度逐步增加,大型飞机重达数百吨,对跑道要求高,如果不能抵达指定机场,就很难成功着陆。因此,除了通常的起落架外,在战斗机等乘员较少的飞机上还备有跳伞救生设备,必要时可弹射跳伞,牺牲飞机来保证飞行员安全。遗憾的是,由于技术要求太高,大型客机目前还不能采用这种手段。
  更高、更快:火箭和飞船回收
  1957年,人类发射了第一颗人造地球卫星。从那时起,针对侦察和载人飞行等需要,人们开始研究火箭和飞船的回收技术。这一技术包括两方面:首先,是减速脱离环绕轨道,再入大气层,由于和越来越稠密的空气剧烈摩擦,在减速同时会放出大量热,必须安装防热罩并把再入部分设计成合适形状。之后,要进一步减速并吸收由高空下落转化的机械能,可以采用降落伞或滑翔等手段,甚至安装航空发动机,像普通飞机一样飞行。
  因此,航天器回收综合了现有多种飞行器回收技术,成本和技术水平很高。大型空间站因为体积重量太大,通常不进行整体回收。
  最早的可回收航天器是返回式卫星和载人飞船,二者技术基本相同,主要采用钝头抛物线形外壳加表面烧蚀防热罩,最终降落伞减速。为了进一步减少降落速度,一些飞船在返回舱安装减速火箭,接近地面时点火缓冲。
  稍后,美苏相继开发了水平着陆的可回收航天器,即航天飞机。航天飞机外形类型固定翼飞机,表面覆盖防热瓦,再入大气层减速后利用机翼滑翔,在机场降落。美国航天飞机的火箭助推器也可回收,它的前锥段里有降落伞,燃烧完后与主体分离,降落在海上,打捞修理后可重复利用。但美国航天飞机的燃料箱只能一次性使用,所以是部分可回收,苏联航天飞机也是靠不可回收的火箭发射。
  进入新世纪后,一种完全可回收火箭,“猎鹰9号”(Falcon 9)被开发出来。它的一级火箭采用垂直降落回收。为保证火箭“站”到回收区,对着陆支架、姿态控制和发动机有很高要求,通过3次点火,可把下落速度由每秒1300米减速到每秒2米。这是飞行器回收技术的一大突破。
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