“人在家中坐,鍋從天上來”的歷史可能要大大改變了_風聞
太空精酿-航天学博士-2019-08-04 20:06
由於一系列政治歷史國防安全技術管理等原因,我國傳統三大火箭發射場都處在內陸地區。
火箭,是一個高度複雜的整體,在克服稠密大氣和地球重力過程中,為最大限度提高運輸效率,需要先後拋棄逃逸塔(載人)、助推器、火箭一級、整流罩等結構減重,最後僅能實現1-5%的有效載荷佔比。這些提到的殘骸被拋棄時高度還很低,不足以入軌,都成為了“天外飛禍”。其他的殘骸,則焚燬在大氣變成了“流星”。
但另一方面,對於勤勞勇敢的中國人民而言:只要有能種的地,就會有人居住。因而,三大火箭發射場的落區,都存在不少居民。由於火箭不同結構被拋棄時間不同、程序分離執行情況不同、當地當時天氣狀況不同,導致每次火箭發射都有很大的幾個落區,每個以萬平方千米來計,輕易跨省市。因而,如何在火箭發射時間內疏散落區所有居民、徹底杜絕危險一直是個難題。同時長征二/三/四火箭家族還在使用劇毒的四氧化二氮/偏二甲肼燃料,就算不被直接砸中也有嚴重污染。
但隨着7月26日長二丙火箭發射遙感30組-05衞星,情況要發生了改變了,火箭一級和二級的級間段上部(屬於火箭一級),加上了四片柵格舵。事後,也確實證明火箭一級下落時姿態非常穩,達到預期。
1.柵格舵是幹啥的?
羽毛球、弓箭飛行時為什麼會這麼穩?很大程度上因為它們屁股後面有羽毛,起到了穩定飛行的作用,而且這些羽毛並不是連續實體的翼面(如飛機機翼),反而效果更好。
柵格翼就是這個道理:看起來都是窟窿眼,但氣動實驗數據告訴你,其實穩定效果更好。這個技術顯然早就軍用了,很多導彈上用得到處都是。
航天上也早有應用。我國長征2F作為唯一一款載人火箭,也是唯一帶逃逸塔的,方便緊急時刻迅速啓動將頂部的載人飛船帶離危險的火箭,上面就裝了柵格翼,這基本是世界各國載人航天飛船的標配了。有了柵格翼,緊急逃離時飛船就更穩,否則火箭這麼強力人類很有可能受不了劇烈晃動顛簸。
而柵格舵和柵格翼略有不同,它大概是這麼一個東西:我不僅是翼面,我還可以稍作控制,這樣不僅起穩定作用,還可以在某種程度上控制飛行過程。

生態學上最經典的例子就是各種書上蹦來蹦去的猴子松鼠大尾巴了,看起來沒啥氣動作用,但效果賊拉好,還能通過擺尾巴稍微控制方向。
2.柵格舵都誰用過?
最著名的就是SpaceX做火箭回收了,它的火箭一級能回收這麼精準和穩定,離不了頂部的四片巨大柵格舵起穩定和控制作用。
現在中國這次實驗,是第二個。
3.這個技術先進麼?
先進,也不先進。
不先進在於:這個技術並不存在理論的創新,在航天發展早期、甚至現在的各種仿真模擬中提出的方案多了去了,但始終沒有人真正用在火箭箭體上,因為覺得沒必要,還增加了設計和管理難度,有啥好用的。
但先進在於:這是工程技術應用的巨大創新。第一個人(SpaceX)真的敢用了,而且事後證明真的挺好用的。於是就會有第二家開始用(這次長二丙實驗),很快就會有很多人跟進。這就跟你看到地上有蘑菇,感覺應該能吃很有營養,但擔心有毒,最保險的還是看別人先吃了沒事,最穩,自己再吃。再往後,就人人都吃了。否則,第一個掛了的話。。。

航天是一個非常講究系統管理的大工程,但也很講究經驗積累。感謝SpaceX為世界航天做的一大貢獻,驗證了柵格舵的可行性。其他人甚至不需要去派間諜偷你的研究資料,只要看到你能做、且管用,那就夠了,我們也立即可以申請項目上馬了。
4.對中國意義如何?
目前來看,最重大的意義就在於極大減少了火箭一級殘骸對落區的影響。火箭一級是火箭最核心的推進力量也擁有最多的燃料,它也是最危險的火箭殘骸。如果能通過柵格舵精確控制它的落區,能大大降低對落區羣眾的潛在危害,重大利好。
於此同時,也將是我國驗證下一步火箭回收技術的寶貴經驗積累。
5.那麼,能徹底解決殘骸落區問題麼?
抱歉,並不能。
原因:火箭一級落的範圍被柵格舵縮小了,不代表就不落下來了。
另外,火箭逃逸塔、助推器、整流罩等部分殘骸問題,還是沒辦法克服的。
唯一能全部解決殘骸問題,就是把落區放在徹底無人區,例如海上(你就不要跟我槓萬一砸到船咋辦了)。美國的兩大核心發射場肯尼迪中心/卡爾維拉爾角和範德堡空軍基地,都在海岸線上,往海里落不怕。歐空局的法屬圭亞那,也靠着整個大西洋。
同理,我國新建的文昌基地,甚至今年新試的海上發射,也不存在火箭殘骸問題。雖然,酒泉、西昌和太原還是不可能徹底避免火箭殘骸問題,但目前中國也不可能不用這些基地了,只能慢慢通過技術手段改進,盡力減少影響,不能因噎廢食。
這次實驗,就是重大突破。
6.那麼,柵格舵技術實現後,距離實現火箭回收還多遠?
還很遠。
因為柵格舵技術很重要,但不是最核心的技術。最核心的技術還是火箭發動機可多次點火複用、可全流量調節、可變推力大小甚至方向、燃料儲存結構和管理技術、高動壓環境飛行控制技術、火箭着陸腿支撐技術等一大堆。
這基本意味着從火箭燃料開始,要全方位重新設計火箭發動機、火箭結構、火箭飛控系統等一大堆。
我國現有的所有火箭,都是無法改造成可回收的。世界範圍內的主流火箭,無論是俄羅斯聯盟/質子/安加拉/天頂系列,美國宇宙神/德爾塔/米諾陶/安塔瑞斯/太空發射系統系列,歐空局的阿里安/織女星系列,都是不可能改造的。難度非常大,基本就是重新設計一款完全不同的火箭。事實上,我國也的確計劃研發新款的可回收火箭。
路漫漫其修遠兮,別急,還得一步一步來。
但也挺好,我們在一個一個突破從0到1,一直在進步。