从竹筒粽子到火箭回收,这是一篇文科生也能看懂的科普文

清华研读间2021-02-19 20:07:05

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文|小钻风

编者按

北京时间12月22日,美国太空探索公司(SpaceX)成功回收猎鹰9号火箭的第一级,这是人类历史上首次成功回收商业轨道火箭。这次试验标志着人类在火箭回收领域取得巨大突破,航天发射的费用将大幅降低,廉价太空时代或许即将来到。


SpaceX“猎鹰9号”火箭21日在佛罗里达州发射升空,10分钟后一级火箭成功着陆回收,载有通信卫星的二级火箭则继续运行。此举创造了航天飞行的新历史。


说起航天,大家可能会觉得这是一个“高大上”的行业。诚然,航天工程大量应用了人类社会最先进的科学技术,是典型的技术密集型行业,但这并不意味着这是一个高不可攀的领域。相反,笔者认为,人类在航天领域的探索体现了人类对于未知的好奇,是人类发展的希望所在。作为生活在二十一世纪的人类,我们应当对于航天领域有一些基本的了解和认识。



“猎鹰”系列运载火箭


事实上,想要明白航天工程中的一些简单的基本原理,其实并不难。以这次火箭回收为例,我们完全可以把它想象成在吃完竹筒粽子之后把竹筒回收利用。大家都知道,如果我们在从大妈手中买到竹筒粽子之后直接把竹筒扔掉,而不是还给大妈,那粽子的价格一定会高好几倍(甚至很可能我们再也吃不起了)。对于火箭而言,火箭第一级上的储液箱和发动机就占了火箭制造成本的很大一部分,如果能将这些东西成功回收利用,将大幅降低制造火箭的费用。



这次SpaceX实验所回收的主要是猎鹰火箭第一级,包括储液箱、发动机和支架等


当然,回收火箭肯定不像回收竹筒那么简单。如果要想解释清楚火箭回收这件事,我们需要从航天的原理说起。


假设我们朝远方扔竹筒粽子,粽子在被扔出去后会下自然下落,最后落到地面上,这是因为粽子受到了地球重力的作用。大家应该都有这样的体验,如果我们扔出物体的初速度越大,一般来说物体会落得越远。我们可以想象一下,如果我们扔出粽子的初速度非常大,那么它将落到离我们很远的地方。而地球是圆的,如果粽子飞出的距离超过了地球半径,那它将有可能永远不会落到地面上。也就是说这个粽子能够一直在太空中运动,这就是人类关于进入太空的最初步的设想。


是不是觉得上面这段描述很简单?,如果你能想明白上面这段话的话,那么恭喜你,你已经成功理解了伟大的艾萨克.牛顿爵士(就是曾经被上帝的苹果开过光的那位)的想法。



牛顿曾设想在一座高山上架起一门大炮,只要这门炮的威力足够大,炮弹 的速度足够快,炮弹就可以围绕地球不停的转而不会掉下来。


然而要使得粽子能够达到这样的初速度(7.9km/s,第一宇宙速度),并不是一件容易的事情。如果我们把给粽子加速想象成人类爬树,假设一个人吃一个粽子所获得的能量是一定的,那么当他带着一大捆粽子爬树时,他应该怎样做才能爬得更高呢。一个显而易见的办法是让这个人在吃掉一个粽子就立刻把竹筒扔掉,这样他携带的重量就会变轻,也能爬得更高。类似地,在用火箭执行发射任务时,可以把火箭分为多级,等最下面一级的燃料燃烧完之后,就把这一级扔掉,然后把新的一级的发动机点火,继续加速,就是所谓多级火箭的设想。


是不是觉得上面这段解释同样不难?如果你能想明白上面这段话的话,那么恭喜你,你已经成功理解了伟大的康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基(现代宇宙航行学的奠基人,被称为航天之父)的想法。



带助推器的二级火箭入轨示意图


人类目前所制造的火箭,一般都是两到三个子极串联而成。这次SpaceX回收的是猎鹰9号火箭的第一级,也就是说SpaceX需要使得猎鹰9号火箭的第一级从200km高空穿过大气层落到地面上,并且保证火箭的关键部件在整个过程中不受损坏。大家可以想象,火箭要从几千层楼的高度开始下落,其下落到地面时的速度会非常快,这将导致给火箭回收带来很多困难。


目前在回收航天器时所采用的着陆方案主要有两种:硬着陆方案和软着陆方案。硬着陆方案的一种典型代表就是利用降落伞在航天器进入大气层时进行减速,使之直接落在地面上(我国的神舟飞船返回舱就是采用这种方案);软着陆方案的一种典型代表就是利用航天器上的发动机提供推力来平衡重力,使得火箭能平稳地落在地面(SpaceX就是采用这种方案)。


我国的神舟飞船在着陆过程中采用伞降和缓冲发动机配合的方案,但缓冲发动机的推力相比火箭发动机的推力要小得多


显然,软着陆方案对于技术的要求更高,但SpaceX采用了软着陆方案。SpaceX之所以这样选择,原因比较复杂。简单来说,如果我们把飞船返回舱想象成速冻饺子,把火箭想象成挂面,把大气层比作锅里的开水。那么大家如果有做饭经验的话就会知道,下饺子的时候,饺子会直接沉到锅底,一般不会破裂(除非你技术不好);而下挂面的时候,挂面会很快在锅里变软(无论你技术有多好)。


类似地,速冻饺子摔到地上不太容易摔坏,而挂面显然就不行了。如果采用硬着陆方案,飞船返回舱和火箭在返回地面过程中所表现的特征就有些类似上面所描述的现象。所以,SpaceX才被迫采用让火箭发动机提供推力的方式来保证火箭平稳落下。



火箭在穿过大气时可能会变得像面条一样“柔软”,甚至会剧烈变形发生解体


然而,让火箭平稳落下也并不是一件容易的事情,除了要火箭底部的发动机合理地控制推力外使得火箭下落的速度不要太快外,保持火箭的姿态(即保持竖直状态)也是很重要的,否则火箭就会失稳(关于火箭的姿态失稳,可以想象一下吃火锅时翻滚的蟹棒)。


可是,让火箭在下落过程中保持竖直状态也很困难。简单来说,如果把一个印度飞饼以平摊的状态抛向空中,飞饼一般会保持平摊的状态落下(有兴趣的同学可搜索相关视频);可是如果把一个竹筒粽子以竖直的状态抛向空中,经验告诉我们很难保证让粽子保持竖直的状态落下。


更具有挑战性的是,SpaceX的火箭在刚开始下落时是类似于“平躺着”的,这就使得火箭在靠近地面时保证竖直状态变得更加困难。而一旦火箭“倾斜”着落下来与地面发生碰撞,火箭的结构会受到损坏,甚至会发生爆炸。因此,需要有一个看不见的“手”来托着火箭平稳落下,而这正是火箭的回收控制系统所扮演的角色,也是火箭回收的关键所在。



SpaceX火箭回收试验(海上平台)示意图,该试验之前曾数次失败


SpaceX在提出自己的火箭回收方案时并不被人看好,猎鹰9号的火箭回收试验也是在经历几次失败之后才获得成功。令人敬佩的是,SpaceX在埃隆.马斯克(同时也是特斯拉CEO)的带领下经受住了失败的考验,为人类的航天事业做出了极有价值的贡献。所以,希望能够有更多的人来了解和支持人类的航天事业,就像大家在吃竹筒粽子的同时,还能想起火箭回收一样。

竹筒粽子的做法

事实上,火箭回收是一项非常复杂的技术,需要考虑的因素很多。然而正如前文所见,它的原理并没有想象中的那么难以理解。保持一颗好奇心,对于未知的领域充满探求的欲望,我们其实每天都可以更好地了解这个奇妙的世界。




脚踏实地,仰望星空


们的征途是星辰大海



(本文部分图片来自网络)



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