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奇妙的柔性返回舱

2020-09-29杨小文军

学与玩 2020年8期
关键词:锥形返回舱大气层

杨小文军

北京时间2020年5月5日18时,中国长征五号乙(CZ-5B)火箭上天啦!这件中国航天界的大事儿,估计小读者都有耳闻。可是你知道吗?跟随它上天的,还有新一代载人飞船试验船和柔性充气式货物返回舱试验舱,后者又被称为柔性返回舱。它是什么呢?

为什么要“返回”

上了天的飞船,有时一去不返,有时却得返回地球——尽管比例不大。这些需要返回的飞船,或带着样品,或带着航天员......总之,要返回地球,上天时飞船里就需要预先带一个东西,那就是返回舱。

從地球飞到太空非常难,需要巨大的火箭帮忙推一把,这是为了克服地球引力。但是,从太空再返回地球,也不是一件容易的事情。也许你要说了:飞回来,靠地球引力就行,有什么难的?其实,没那么简单。飞船进入大气层后,速度极快,保持在每秒钟10千米左右,和大气层摩擦生热,温度会瞬间超过1000°C,简直就是一团红通通的火球。所以,对于返回舱,就有许多要求:耐高温、保温、坚固......

为什么要“柔性”

为了达到这些要求,传统的返回舱往往都是用金属制成的,外壳硬邦邦的,下面有厚厚的隔热层,表面还要涂抹厚厚的耐热层。

而从外形上看,返回舱以锥形为主。

1969年,美国阿波罗11号登月,三名航天员返回地球,乘坐的就是典型的硬性锥形返回舱。进入大气层后,它大头朝下,外面烧得通红,凭借巨大的降落伞,掉进海里。

一直到今天,不管是人还是物返回地球,借助的基本上都是同样的返回舱,使用的也是同样的返回模式。但是,这种返回舱存在许多问题,比如它又重又大、发射成本高、只能使用一次等。

正是由于传统返回舱种种不理想的地方,多年前各国科学家就纷纷提出柔性返回舱的概念。不过,受当时材料的制约,一直没能实施。直到近年来,柔性返回舱的研究才取得不少进展。在科学家眼中,它在进入大气层以前,就可以充气,随即展开整个外形。而在这之前,它的体积很小,整个重量也很轻。在航天领域,轻和重,是一个非常重要的指标,决定了发射成本。同时,它又具有耐高温的特性,还能重复使用,非常有前途。

如何“优雅”地柔性返回

柔性返回舱是充气的,充什么气体?这其中大有讲究。易燃易爆气体肯定不行。空气呢?也不行,因为空气的含氧量为21%,在超过1000°C的条件下是很危险的。过去,科学家在试验时充过氦气,也有用氮气的,效果都不错,以后应该还会继续沿用这两种气体。

在材料方面,科学家考虑使用强度更好的复合纤维材料来制造外罩,其强度可以达到钢材的15倍,同时能做到在超过1000°C的条件下不变形。此外,也有一些科学家在研制一种新型耐热材料,它受热后就会自我蒸发,在蒸发过程中带走热量,减少对柔性返回舱的烧损。

在实际操作方面,目前国际上已经进行过试验的柔性返回舱最大直径为6米,下一步试验,直径有可能还要扩大。今后,变大一些的柔性返回舱会试着将火箭发动机带回地球,因为火箭发动机非常昂贵。这次,我国试验柔性返回舱意义重大,这是赶超先进技术的开始,也是重要的第一步。这次,长征五号乙火箭试验用的柔性返回舱,直径约3米,高约1.5米,呈倒锥形。

据报道,这次随长征五号乙火箭上天的柔性返回舱在返回过程中,出现了异常。出现了什么异常?尚无报道。目前专家们正在研究,相信不久后会有结果。对于一个新生事物,出现异常是正常现象,科学探索本身就曲折迂回,没有一帆风顺的。根据以往试验的经验,出现异常的原因可能是摩擦产生高温、表面破裂或软化、粘结处断开,以及所充气体是否适宜等问题。

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