11月10日,美国NASA对外宣布称:其自主研制、试验的“充气式再入减速器”着陆试验取得圆满成功,充气隔热罩在轨展开、并安全降落在预定海域。
而在此之前的2020年5月5日下午,中国首次发射长征5B运载火箭时,就同时搭载了我国“新一代载人飞船试验船”和“柔性充气式货物返回舱试验舱”,其中新一代载人飞船试验船安全返回地面取得圆满成功,柔性充气式货物返回舱试验舱,则在返回的过程中因为降落场地的漂移,在降落过程中发生异常。
也就是说此次美国成功验证柔性充气式返回舱技术,着实是从试验速度上超越了中国,那不禁要问:中美为何抢先发展“柔性返回舱”技术?这种技术为何50年了才得以攻破呢?中国真的被美国超越了吗?
中美为何抢先发展“柔性返回舱”技术?
航天器要想成功进入预定轨道,就要在星箭分离时,航天器的飞行速度超过第一宇宙速度,所以火箭就要不断地加速,从而诞生了多级火箭结构。同样航天器要想脱离轨道,重新返回地面也不是简简单单的事情。因为航天器以极高的速度返回地球时,航天器自身会和稠密的大气层之间产生剧烈摩擦,最终在航天器表面产生上千度的持续高温烧蚀。
所以从上世纪60年代人类掌握航天器返回技术后的半个多世纪里,在航天器返回隔热技术方面,人类一直走得是锥形结构+底部隔热盾+烧蚀降温涂层技术来保护返回舱安全降落,像我国的神舟载人返回舱、俄罗斯的联盟号返回舱、美国的阿波罗、载人龙这些载人返回舱,以及一些无人返回舱使用的都是这种传统、但成熟可靠的航天返回技术。
这种锥形结构+隔热盾+烧蚀降温的返回技术虽然成熟可靠,但自身也存在着自重大、成本高、一次性使用等缺点,特别是这类隔热降温技术只能保护返回舱顺利穿过大气层,并不能对返回舱的安全着陆产生积极作用。为此返回舱还得内置多个超大面积的减速伞+反冲火箭/气囊来降低返回舱着陆速度,而这也使得返回舱+反冲火箭+气囊缓冲结构大量占据返回舱内部空间的同时,超大面积的减速伞也存在着极易缠绕+着陆后返回舱很可能会被减速伞拽到的风险。
所以美国在上世纪60年代既提出,如果能有一种技术在航天器离开预定轨道,进入大气层前就主动包裹住返回舱本体,同时利用自身张开更大的体积产生更大的飞行阻力,从而降低返回舱进入大气层速度和摩擦热量,并帮助返回舱平稳降落地面的话,之前航天器返回时必须使用的锥形结构、隔热盾、烧蚀降温等技术就可以被替代,而这种技术就被称之为“充气式柔性返回舱技术”。
其最大的优点除了能够保护返回舱安全降落地球外,还有一大优势就是,相比传统隔热盾而言,这种全新结构的柔性充气返回舱不仅对返回舱结构不受任何限制,使得返回舱可以根据航天需求更开放性设计开发外,柔性充气式返回舱在充气打开之前,本身就是一个可以收纳成体积小巧、重量轻薄的气囊包,所以体重小和轻,也使得其在本身注重轻和重的航天领域非常有优势,毕竟航天发射的重量决定了发射成本。而且这种气囊包打开后就像是一把伞一样,将返回舱本体牢牢包裹住的同时,伞型结构也使得其再入速度更低、具备重复使用的优点。
特别是当前中美两国的新一代载人飞船重量超过20吨以上,这么大的质量如果使用之前隔热盾+减速伞的回收方式,不光会使得整个载人飞船返回舱结构受限、隔热性能受阻,同时最关键的就是减速伞面积需要更大,但伞数量不能超过4个以上,否则极易发生缠绕,所以这也是中美两个新一代载人飞船出现后,都急于试验这种柔性充气式返回舱的核心原因。
这种技术为何50年了,才得以攻破?
虽然这种柔性充气式返回舱技术早在上世纪60年代就被提出,但这种看似简单的充气气囊结构研制并不简单,因为这种充气式返回舱在进入大气层之前就要充入大量气体,如果直接充入空气肯定不行,毕竟空气中氧气含量超过21%,在上千度高温的大气层中很容易被引爆,所以只能充入稳定性好的氦气或者氮气,但这两种气体如何压缩、且被压缩情况下,如果短时间内快速充入气囊很是关键。
其次就是这种柔性充气返回舱在重入大气层的时候,不光柔性气囊表面会受到高温摩擦产生热量,同时受地球重力和空气密度增大影响,整柔性充气返回舱气囊表面的抗烧蚀能力也要得到进一步提升,至少保证在充入大量气体后、且与大气层剧烈摩擦高温状态下不会被压爆是,所以就需要开发一种质地轻、能够重复使用、且抗热能力强的高分子复合材料。
所以对于想要研制这种柔性充气式返回舱的国家而言,除了要解决稳定气体的快速注入、高分子材料的隔热降温、以及气囊缓冲减震功能外,还要能够保证其体积小、重量轻、且具备重复使用的功能,所以这也是该技术虽然提出了半个世纪之久,但一直没能成功实现的原因所在。
中国真的被美国超越了吗?
如果论柔性可充气返回舱的研制和试验进度,美国早在上世纪80年代就曾试验过,欧空局也曾在本世纪初进行过多次试验,但无一例外全部失败,要么直接在太空未能快速充气、要么就是充气成功,返回失败。
而我国在2020年随着长征5B首飞时进行的柔性充气返回舱试验舱技术,其最终失败的原因只是降落地点发生大范围转变,在核心的充气、充入大气层方面已经取得试验成功,相信后面稍加改进后,我国再次进行相关试验取得成功的概率会非常大。
当然现阶段美国率先完成这一试验,并不代表美国就走在了中国前列,超越了中国。当下中美双方依然处于齐头并进的状态,而且美国也只是试验成功,并没有真正将其应用到载人飞船返回真实过程中,所以最终谁率先将其应用到实际航天返回中,还得看中美双方的进展速度来决定。
专家们,我有个建议,这个底座应该设置两个,顶部底部各一个,然后让它在风的作用下可以朝相反方向旋转[吐舌头咯]