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[航空航天] 从竹筒粽子说起——浅谈火箭回收相关的航天原理

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发表于 2016-10-13 15:03 | 显示全部楼层 |阅读模式

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摘要:太空探索公司(SpaceX)成功回收“猎鹰9号”火箭第一级,点燃了大众对于火箭回收的关注热情。本文试图通过简单易懂的方式向大众介绍一些与火箭回收相关的航天原理,利用竹筒粽子这一生活中常见的事物解释了宇宙第一速度、多级火箭、软着陆等科学概念。
        北京时间12月22日,美国太空探索公司(SpaceX)的“猎鹰9号”火箭在佛罗里达州发射升空。火箭一二级分离后,载有通信卫星的二级火箭继续入轨,而一级火箭则成功降落在了指定着陆区域。此举创造了航天飞行的新历史,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,航天发射的费用可能会大幅降低,廉价太空时代或许即将来到。
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猎鹰9号

        说起航天,大家一定会觉得是“高大上”。诚然,航天涉及到人类社会最前沿的科学和最先进的技术,但这并不意味着航天就高深莫测、难以理解。航天探索体现了人类对于未知的好奇,作为生活在二十一世纪的人,我们应当对航天有一些基本的了解和认识。

        航天中一些基本原理其实并不难。就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,如果我们在买到竹筒粽子之后直接把竹筒扔掉,而不是收集起来再次利用,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。
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竹筒粽子

        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,我们扔出物体的初速度越大,物体会落得越远。我们可以想象一下,我们以非常大的水平速度(7.9公里/秒)扔出粽子,粽子一边水平飞行(每秒钟7.9公里)一边落向地面(每秒钟下降4.9米)。我们知道地球是圆的,地表每7.9公里就会下降4.9米。这样,粽子就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,这就是人类进入太空的最初步的设想。
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猎鹰9号回收示意图
        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,那么恭喜你领会了伟大的艾萨克.牛顿爵士的想法。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一直飞而不掉下来。
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牛顿大炮
        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吃掉一个粽子就立刻扔掉竹筒,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,最下面一级的燃料烧光之后,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,那么恭喜你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。

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带助推器的二级火箭入轨示意图

        人类目前所制造的火箭,一般都是两到三级串联而成(还有一些火箭在第一级上并联了助推器)。这次SpaceX火箭回收试验针对的是猎鹰9号火箭的第一级,也就是说,猎鹰9号火箭的第一级从200km高空穿过大气层落到地面上,并且火箭的关键部件不受损坏。可以想象一下,火箭要从几千层楼的高度开始下落,落到地面时的速度会非常快,这将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:硬着陆和软着陆。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之后进行减速,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)。

        显然,软着陆方案对于技术的要求更高,SpaceX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。如果有做饭经验就会知道,下饺子的时候,饺子会直接沉到锅底,一般不会破裂(除非你技术太差);而下挂面的时候,挂面会很快在锅里变软(即使你技术很好)。如果采用硬着陆方案,飞船返回舱和火箭在穿越大气层过程中就可能有类似下挂面的现象。

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火箭在穿越大气时可能会变得像面条一样“柔软”,甚至会剧烈变形导致解体

        当然,让火箭平稳落下也并不是一件容易的事情,除了要合理地控制火箭底部发动机的推力使得火箭下落的速度不要太快,还要保持火箭的姿态稳定(即保持火箭“头朝上”的竖直状态),否则火箭就会因受力不平衡失去稳定(可以想象一下吃火锅时翻滚的蟹棒)。如果把一个印度飞饼以平摊的状态抛向空中,飞饼会保持平摊的状态落下;而把一个竹筒粽子以竖直的状态抛向空中,经验告诉我们,粽子通常不会乖乖地保持竖直的状态落下。

        更具有挑战的是,SpaceX的火箭在刚开始下落时几乎是“平躺着”,这就使得保证火箭在靠近地面时维持竖直状态变得更加困难。如果火箭“倾斜”落下来与地面发生碰撞,火箭上的部件和结构有可能因此受到损坏,甚至可能会发生爆炸。因此,需要有一只看不见的“手”扶正火箭,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。

        SpaceX在提出火箭回收方案时并不被看好,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的团队在CEO埃隆.马斯克(同时也是汽车公司特斯拉的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。

        火箭回收是一项非常复杂的技术,需要考虑的因素很多。然而正如前文所述,相关的航天原理并没有想象中的那么难以理解。如果我们能够保持一颗好奇心,敢于探索陌生的领域,其实每天都可以对这个奇妙的世界多一点了解。
希望大家在脚踏实地的同时,不要忘记仰望星空。作为地球上的智慧生命,我们的征程指向星辰大海。

致谢
衷心感谢李俊峰教授约稿、修改论文、提供资料。

参考文献
1  Sellers J J等著,张海云,李俊峰译.理解航天——航天学入门. 北京:清华大学出版社, 2007



来源:力学与实践

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发表于 2016-12-7 09:38 | 显示全部楼层
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是挺6  详情 回复 发表于 2016-12-8 09:23
发表于 2016-12-8 09:23 | 显示全部楼层

是挺6
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