黑店的空中杂技细数空中回收的历史

　　原创SaturnV航天爱好者
　　主页菌说文中有句说得好人算不如天算，计划不如变化，发射阿丽亚娜5的库鲁发射场罢工愈演愈烈，ULA老司机的宇宙神5发射前又发现故障，导致两者发射一路推迟。直接把SpaceX备受关注的首次复用发射推上前台，目前发射时间仍然暂定3月底，一旦时间正式确定，我们将第一时间通知大家。说起复用，现在可谓是火箭领域超级热门的一个话题，除了SpaceX的VTVL方案之外，我们今天来看看著名黑店ULA的聪明回收到底是咋回事儿。本文作者：SaturnV
　　在联合发射联盟（ULA）的大手笔火神火箭设计图中，两台BE4AR1引擎的回收尤为显眼。ULA的CEO托里布鲁诺更是以聪明回收（SmartReuse）称呼，其实言外之意便是猎鹰9的这种让火箭本体和引擎一起降落的方法是愚蠢回收。的确火箭引擎是整个火箭造价的大头，ULA因此计划让CH47直升机在空中挂住引擎的降落伞，然后重复使用两台引擎。一直以昂贵价格和几乎完美发射成功率自诩的ULA也突然学起以廉价著称的SpaceX开始火箭回收降价，不禁让人觉得这个黑店也有从良的一天。
　　和猎鹰9通过引擎二次和三次点火让整个箭体反向降落的方式不同，ULA的回收方式颇有些简单粗暴的感觉。在第一级引擎熄火后，引擎整体和第一级燃料罐分离（图中2），燃料罐自由落体入海洋成为生态系统一部分，引擎则在前端打开充气减速罩进行超音速阶段减速（图中3）。待引擎模组亚音速后再打开降落伞，回收直升机只需在引擎掉入海洋之前挂住降落伞即可（图中4）。ULA之所以选择空中回收而不是海面回收，是因为和航天飞机的固体燃料火箭不同，液体燃料引擎若想复用必须保证管线不能受到海水腐蚀。
　　固体燃料火箭没有管线之说，纯粹填燃料点燃即可，因而频繁入海并无大碍。
　　在许多人看来，ULA的空中回收方式颇有些表演杂技的味道。超音速阶段的充气罩已经科幻味十足，最后再来个空中挂降落伞，ULA是不是空中杂技表演看多了？恰恰相反。ULA的空中回收其实是早已被美国重复使用多次的空中回收方式的改版，某种意义上这也是托里布鲁诺聪明回收的自信来源，因为这毕竟是已经半成熟的技术，不论是技术瓶颈还是风险都要远低于从零开始研发的SpaceX回收技术。
　　吾有特殊的回收技巧
　　以空中挂取方式回收从宇宙返回的人造物体有着悠久的历史，1960年8月19日一架经过改装的C119运输机在夏威夷附近空域挂住了代号探索14的返回胶囊，正式开启了空中回收的历史。而这个神秘胶囊的载荷，正是堪称间谍卫星鼻祖的科罗纳间谍卫星的胶卷，此次任务也是人类有史以来第一次用卫星进行地面拍摄。由于50年代和60年代摄影技术的限制，早期的间谍卫星以胶卷储存相片，并需要把胶卷以物理形式送回地面供情报人员分析。鉴于胶卷中涉及大量苏联和中国的敏感设施情报，坠落地面或海面容易被一般民众发现且撞击会对胶卷造成损伤，刻意封锁又容易暴露间谍卫星的存在。美国中央情报局和美国空军最终决定采用空中回收的方式，保证胶片尽可能完好无损的同时，悄无声息地取回。
　　科罗纳卫星完整回收流程
　　和ULA公布的方式非常类似，一架10人机组的运输机会提前飞往胶囊预计返回空域，两名遥感操作员会提前计算返回轨道并告知飞行员，随后在大约50000英尺（15240米）的高度上由机组人员肉眼捕获。而后操作员开启尾部舱门并释放挂钩，待挂住返回胶囊的降落伞后再由绞盘将整个胶囊连同降落伞一起拉入机舱。回收完毕后运输机立刻返回珍珠港的希卡姆空军基地，在那里早已等待多时的C141运输机会将胶囊火速送往位于马里兰州米德堡的美国国家安全局总部进行分析。若飞行员未能成功挂住降落伞，则可派遣船只回收或干脆弃之不管，安装在返回胶囊底部的盐栓会在两天后被海水溶解，使得整个胶囊沉入海底，海水的腐蚀会彻底破坏胶卷。机组为训练空中回收需要的默契配合，几乎每天都会空中回收由其他飞机空投下的假目标。
　　挂住胶囊降落伞的挂钩特写
　　从1959年起至1972年止，科罗纳间谍卫星总共发射144次，其中102次回收成功，改造过的C119和C130运输机都先后参与。当然中央情报局对回收成功的定义是胶卷可以读取，因而不乏有实际物理回收成功但胶卷损坏的案例存在。1961年专门负责研发操纵间谍卫星的美国国家侦查局（NRO）成立后，科罗纳间谍卫星根据拍摄技术的先进程度被重新编号为KH1至KH4（KeyHole），后续大（臭）名（名）鼎（昭）鼎（著）的锁眼间谍卫星家族至此开始。一直到数字传输图像的KH11间谍卫星诞生为止，KH5至KH9系列全部延续了科罗纳的空中胶囊回收，鉴于尚未到50年的解密时限，后续KH系列的回收情况尚不得而知。
　　HC130回收KH7的胶卷胶囊
　　除去间谍卫星的空中回收外，NASA也曾计划过空中回收，那便是太阳风粒子探测器起源号的返回舱。2001年8月8日发射的起源号探测器主要目的是搜集太阳风粒子，以精确计算太阳风和太阳主要成分，同时亦是NASA在阿波罗计划后第一次将地外物质带回地球，以及当时人类带回的距离地球最远的物质。为避免地球磁场对太阳风粒子的污染，起源号探测器在远离地球磁场的地日L1拉格朗日点（想了解这个点的看我们的往期文章啊详解三体问题的神秘特解回顾拉格朗日点两百年来的梦幻）进行样品采集，采集结束后起源号绕道地日L2拉格朗日点以便在美国时间的白天返回地球。由于担心返回舱降落时的撞击和震动会破坏返回舱的完整性，进而污染采集的太阳风粒子，NASA决定采用直升机空中回收的方式。
　　起源号太阳风粒子探测器构造
　　起源号太阳风粒子探测器轨道
　　计划中起源号会在掠过地球的时候释放大约600磅（275千克）重的样品返回舱，预计回收地点为犹他州的UTTR训练中心。在距离地面33千米时，返回舱开启减速降落伞，而后在距离地面6。7千米时打开主降落伞以稳定返回舱的下降。在距离地面2。5千米时，改装过的直升机将用大约5米长的钩子钩住主降落伞，若此高度回收失败，第二架备用直升机将在2千米高度再次尝试回收。钩住降落伞后直升机要将返回舱缓慢吊入提前在地面准备好的密封舱，以确保全程无污染。
　　起源号样品返回舱计划大气层再入过程
　　和科罗纳胶囊回收相比，起源号的样品返回速度更快且更复杂，颇有些空中特技的味道。NASA想既然是空中特技那何不让专业的来？于是NASA真的去好莱坞雇佣了两名直升机特技飞行员来完成空中回收。二人为此次任务已提前进行了数次模拟挂取，没有一次失败。外加上2。5千米的高度足够两架直升机各进行4次回收尝试，NASA因此对空中回收信心十足。
　　特技飞行员以假目标训练空中钩挂回收
　　可惜人算不如天算，计划永远赶不上变化。格林尼治标准时间2004年9月8日16：55分，起源号释放的样品返回舱以11。04千米每秒的速度进入地球大气层，然而由于返回舱电子组件中加速度计算装置的设计问题，减速降落伞和主降落伞均没能按原计划开启。两位特技飞行员什么都做不了，只能默默地看着返回舱以86米每秒的速度撞在犹他州图埃勒县的沙漠上。如此猛烈的撞击造成返回舱破裂，内置样品储存胶囊破损，好在沙子松软的质地一定程度上缓和了冲击，太阳风粒子样品并没有外泄。
　　撞毁在沙漠上的返回舱
　　不幸中的万幸是污染太阳风粒子的仅为沙子，没有液态水混入样品，且由于太阳风粒子是以晶片附着方式储存，使得沙子可以与样品分离。样品清理工作从9月21日开始，至05年1月便已完成第一块晶片的处理。对起源号返回舱碎片的清理则持续了4周，分析事故原因的同时确保返回舱电池的有毒物质得以妥善处理。随后对样品的解析证明污染并不严重，可以完成起源号探测器计划之中的主要科研目标，这也算没有让这耗资2亿6千万美金的的科研项目白费。
　　拯救了起源号的太阳风粒子的采集晶片，每一个六边形晶片均由高纯度的蓝宝石和金刚石镶嵌而成，在表面有硅和金涂层。
　　起源号太阳风粒子样品污染情况的报告PPT
　　和科洛娜卫星返回胶囊以及起源号返回舱比，ULA的两台引擎虽然体积质量都更大，但回收高度和速度都要远低于前两者，就技术难度而言其实挑战并不大。与其说用直升机挂住引擎模组降落伞是空中特技，倒不如说引擎模组超音速到跨音速阶段的充气气动减速装置更有空中特技的味道。
　　这才是真正的空中特技
　　充气式气动减速罩的设计最早来源于NASA计划中降落火星时的减速装置。由于火星大气密度低于地球，降落伞的终端速度远高于安全着陆速度，因而飞行器需要额外的减速装置。充气式隔热罩和传统的固体隔热板相比，有着质量轻可折叠储存体积小的优势，同时气体又是绝佳的隔热和缓冲材料。但充气式对技术要求很高，减速装置表面材料不仅要有足够柔性以便在短时间内展开完成充气，还要足够耐热以抵御超音速时空气摩擦产生的热量。
　　好奇号火星车使用的隔热罩。在进入大气时此隔热罩承受了超过7700摄氏度的高温，比太阳表面还要热2000余度。
　　NASA进行风洞测试的充气式减速隔热罩
　　已研究充气气动减速装置多年的NASA也只在2016年刚刚完成原型设计的风洞测试，距离大气测试尚有时日，更不用说等比例实际测试了。对于要在地球大气内使用类似装置的ULA来说，一级引擎模组的下落速度远低于进入火星大气的速度，外加上超音速阶段的地球外层大气较为稀薄，充气气动减速装置或许不需要NASA那样高标准严要求，但终归也是要攻克的一道技术难关。到底ULA会如何设计这最关键的一部分，还要看火神火箭后续的情报了。
　　可以说这个环能不能转的起来，完全看这第3步的充气罩到底行不行。不过话说回来，直升机既然可以空中挂住引擎模组回收，那更轻的火箭整流罩自然不在话下。SpaceX一直流传的整流罩回收，是不是也可以参考下呢？