用“气球”回收二级火箭，这到底是什么黑科技？

Evan Gough/文

Tisney/编译

还记得重型猎鹰首飞时，两枚助推火箭并肩着陆的场景吗？这幅画面不知让多少人惊呼，科幻已经走进了现实。就在几年之前，当伊隆马斯克首次提出要回收火箭重复使用时，几乎没人相信他能做到这一点。

现在，马斯克又有了新的想法，这次他要尝试回收的是火箭的上面级。4月15日，他卖着关子透露了这样的消息：“这听起来会很疯狂，但…… SpaceX将尝试用一个巨型派对气球，把处于轨道速度的火箭上面级带回来”。

对于马斯克的这一天马行空的想法，这一回，大家似乎认真了许多。毕竟，一级火箭的回收和重复利用，如今已经成为了SpaceX发射任务的一种常态，这一点可是有目共睹的。这还是SpaceX首次暗示，他们可能要尝试回收上面级。

回收上面级，提前减速是关键

网友们纷纷提问，SpaceX到底会怎么做？他提到的“巨型派对气球”又会是什么？马斯克还没有回应，但他的一位粉丝有话要说。

来自美国马里兰大学詹姆斯克拉克工程学院的学生奎因库佩克（Quinn Kupec）在推特中评论道：“如果你说的和我想的一样，这是一个超低弹道进入系数减速器的话，你应该来马里兰大学看看。我们一直在做这方面的研究，刚刚结束了一些测试。”

这里先得介绍一些背景知识。“超低弹道进入系数减速器”，这个读起来有些拗口的词是什么意思呢?弹道系数是一个术语，用来衡量航天器在飞行过程中克服空气阻力的能力。

弹道系数较高，意味着重返大气层的航天器减速较慢，到达地面时速度依然较快。而反过来，一个超低弹道进入系数减速器，可以帮助航天器迅速减速，在到达地面之前就降到音速以下。

重返大气层时，如果高速进入稠密大气，航天器将承受巨大的热量。图为ATV-5货运飞船重返大气层被烧毁的示意图。图片来源：欧洲空间局

想要回收火箭上面级，低速再入大气层更加合适，因为这样可以减少热量的产生。但据库佩克说，他们还有另一个问题需要解决。

“问题是，降到落地速度后又会发生什么？假设你的重心明显落后于它的空气阻力中心，对于返回的火箭上面级来说，这是很可能出现的情况，那它就会变得不稳定。如果重心过高，再入大气层的火箭就可能会翻转过来，这显然就不合适了。”

所以，诀窍应该是，把再入火箭的速度降到某个值以下，使其在下落过程中产生的热量不会损害火箭。对于SpaceX目前例行回收的一级火箭来说，这不成问题，因为它们自带帮助其减速和着陆的反推火箭。但对于已经达到轨道速度的上面级来说，这是一个必须克服的障碍。

库佩克表示：“我的研究主要集中在如何提高重心，同时仍然维持恰当的飞行姿态。”

巨型气球可能是气球减速伞

那马斯克所说的“巨型派对气球”又是什么呢？

他所说的可能是所谓的“气球减速伞”（ballute）。这个词是上世纪50年代由固特异航空航天公司（Goodyear Aerospace）创造出来的，是气球和降落伞的结合体，可以帮助航天器减速，并在下落过程中保持稳定。

一个气球减速伞的概念图。图片来源：Kees Veenenbos

库佩克的导师、马里兰大学教授戴维埃金（David Akin）对再入系统的研究已超过20年，他表示，“此前就有人提出过这样的概念，在航天器返回时释放一个巨型气球，并通过线缆拖在身后。气球能够降低弹道系数，使航天器在更高的大气层中减速，降低所受到的热负荷。”所以关键是，在接近地表之前就降低速度，因为越靠近地表，大气层就越厚，产生热量就越高。

根据埃金教授的说法，这不一定是一件易事。“要达到马斯克所说的目标，即弹道系数降低两个数量级，气球的直径就必须达到36米以上，还要由耐高温织物制成。这并不简单。”

不过马斯克并不是那种会回避困难的人。

2009年铱星33号与俄罗斯宇宙2251号碰撞后产生的碎片，其轨道几乎包裹地球。来源：stuffin.space

回收火箭上面级不只是为了降低发射成本，还有助于解决太空垃圾的问题。据欧洲航天局估计，目前已有超过29000块太空垃圾围绕着地球，其中一些就来自于火箭的上面级。这些垃圾已经造成了一些碰撞和事故，一些卫星因此被推入不同的轨道。2009年，33号铱星与退役的俄罗斯宇宙2251通信卫星发生碰撞，两枚卫星全部损坏。如果SpaceX能够开发出一种回收上面级的方法，就可以降低潜在的碰撞风险。

在航天历史上，曾有过使用气球帮助航天器返回的先例。2000年2月，俄罗斯在其佛盖特上面级上配备了可充气的再入及降落装置，可上面级在落回地面时恰逢一场暴风雪，从此再也没有被找到。有埃金教授和库佩克这样的人进行研究，SpaceX就不需要从头做起了。但他们仍然有很多工作要做。

俄罗斯在佛盖特火箭上面级上曾经测试过的可充气再入及降落装置，左为未充气的状态，右为充气后的状态。图片来源：space.skyrocket.de

在“巨型派对气球”那条推特，即“……把处于轨道速度的火箭上面级带回来”的后面，马斯克又补了一句，“把它降落在一张弹性蹦床上”。

至于这句话是什么意思，目前还没有人作出解释。

编辑：Steed

编译来源：

Universe Today, MUSK SAYS THAT SPACEX WILL USE A GIANT PARTY BALLOON TO BRING AN UPPER STAGE BACK. WAIT, WHAT?

果壳科学人

欢迎个人转发到朋友圈

译文来自果壳网

从论文到科普，只有一步

转载

请联系 sns@guokr.com

投稿

请联系 scientificguokr@163.com

【拓展阅读】一张照片，解读猎鹰9号火箭发射与回收全过程