有人要离开“火箭少女”了?淡定,火箭本来就是如此

作者: 李会超

来源: 科学大院

发布日期: 2018-08-16

本文讨论了火箭发射过程中的分离现象,以及多级火箭设计的必要性。文章详细描述了火箭的级间分离、整流罩和有效载荷分离的过程,并探讨了火箭子级在完成任务后的命运,包括坠落、轨道停留和可回收重用技术。

最近,成团不久的“火箭少女101”组合就爆出了成员退出的消息,吃瓜群众纷纷调侃,该组合果然名不虚传。确实,在火箭一飞冲天的过程中,必须经历多次分离:除了要完成级间分离,还要经历整流罩分离,卫星、飞船等有效载荷与火箭的分离等过程。每个分离过程都需要精心设计,才能保证发射的成功。

火箭为什么是多级的?

如果将火箭设计成仅有一级的结构,从起飞到结束工作都是一个整体,那么也就没有一二级分离这样的工作,火箭的飞行过程看起来就要简单不少。然而,俄罗斯科学家齐奥尔科夫斯基在1903年提出的齐奥尔科夫斯基公式从理论上否定了这种“捷径”的可行性。在这个公式中,火箭在工作期间所获得的速度增量与发动机开始工作时的火箭总重m0和发动机结束工作时的总重m1相关,m0/m1的比值越大,火箭就能获得越大的速度增量。

有效载荷要进入太空工作,至少要被加速到第一宇宙速度。而如果火箭仅有一级,在人类目前的技术条件下,m0/m1的比值难以使火箭最终达到第一宇宙速度。

于是,火箭设计师们提出了多级火箭的解决方案。通过不断将完成工作的部分抛弃,火箭m0/m1的比值将不断变化,火箭得以被“接力”加速,最终达到理想的入轨速度。此外,采用多级火箭方案时,还可以根据飞行阶段的特点使用不同特性的发动机。

例如,对于火箭发动机来说,“比冲”是衡量其燃料使用效率的重要指标。为了获得足够的起飞推力,火箭第一级和助推器的发动机有时要牺牲比冲性能以换取推力。而第二级和上面级则多采用比冲更高且适应真空工作环境的发动机。

级间分离:快刀斩乱麻。和轰轰烈烈闹分手的火箭少女们一样,真正的火箭在级间分离时也要制造一些爆炸。以一二级分离为例,在分离发生前,两极火箭通过一种叫做”爆炸螺栓“的装置连接在一起。

爆炸螺栓是一种空心的连接装置,内部装有炸药。一旦接到命令,前一秒还紧密的接合着两级火箭的爆炸螺栓会瞬间将自己炸断,切断两级间的联系。不过跟火箭少女的退团风波纠缠不清不同,火箭的一二级的分离过程开始后必须尽快让它们之间的距离增大,否则就可能悲剧收场。

整流罩和有效载荷分离。在火箭最初的飞行过程中,整流罩将卫星、飞船等有效载荷包裹在其中,使它们能免受高速气流带来的冲击和加热。

当火箭飞行到一定高度,大气浓度已经足够稀薄时,整流罩将与火箭分离,以减轻火箭的重量。整流罩一般由合抱在一起的两瓣构成。在与火箭分离时,整流罩内部的爆炸螺栓切断两片整流罩间的连接,内置的弹簧机构将整流罩向两侧推动。但此时,整流罩不会立即离开火箭,而是会像绽放的花瓣一样向两侧张开。这是因为整流罩底部与火箭连接的地方安装了可以旋转的挂钩式铰链。

当两瓣整流罩张开到足够的角度时,铰链自动脱钩,两瓣整流罩向外抛出,从而不会与火箭和载荷相撞。

在可回收重用技术出现之前,完成工作的火箭各部分会被直接抛弃。第一级与火箭分离时,火箭的速度还不是很高,且周围的大气还相对浓密,因此第一级一般会坠落到地面。发射进行前要对火箭飞行路径上可能坠落部件的区域进行估计。如果落区恰好处于人口稠密区域或重要设施所在的区域,就要调整飞行方案,以满足安全要求。在位于南海海滨的文昌发射场投入使用后,这方面的顾虑就要小很多。

火箭的第二级和第三级则一般会在围绕地球的轨道上停留一段时间。向近地轨道发射卫星时,第二级可能会在轨道上停留数月,在高层大气的作用下逐渐降低轨道高度,最终坠入大气层焚毁。而发射位于极轨上的太阳同步轨道卫星时,第二级有可能一去不返,永久的待在太空中转圈。发射地球同步轨道卫星等高轨卫星时,使用的第三级和上面级也能在轨道上逗留数年甚至数十年。

这些停留在太空中的火箭子级如果不妥善处理,将会成为轨道上的定时炸弹,其中残存的推进剂、高压气体等物质随时可能诱发爆炸,制造大量太空垃圾。因此,一般会对它们进行“钝化”处理,消耗剩余燃料、排出多余气体,并将其移动到废弃轨道上。

在火箭可重复利用技术出现之后,这些完成任务的火箭子级迎来了更好的命运:它们可以回到地面,经过整修后重返太空。

目前,SpaceX的猎鹰9号火箭已经成熟的应用了一级火箭的回收重用技术。当一级火箭工作完毕后,喷嘴喷出的高压冷气会让第一级在空中翻一个跟头,进入准备“回家”的姿态。之后,第一级上的一部分发动机第一次开机,使火箭进入着陆弹道。随着本次开机的完成,一级火箭顶部的栅格翼展开,以气体动力学方式控制飞行方向。

之后,一级火箭还会再开机两次,第一次用于减速,第二次则精准的控制火箭在陆地或海洋上的回收平台上软着陆。猎鹰重型火箭助推器和第一级的回收方式与猎鹰9号第一级基本一样,但首飞过程中第一级的回收试验未能取得成功。不知道,“火箭少女101”分离的“火箭子级”们会走哪条路呢?

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